Метапрограммирование

Метапрограммирование — вид программирования, связанный с созданием программ, которые порождают другие программы как результат своей работы (в частности, на стадии компиляции их исходного кода), либо программ, которые меняют себя во время выполнения (самомодифицирующийся код). Первое позволяет получать программы при меньших затратах времени и усилий на кодирование, чем если бы программист писал их вручную целиком, второе позволяет улучшить свойства кода (размер и быстродействие).

Генерация кода

При этом подходе код программы не пишется вручную, а создается автоматически программой-генератором на основе другой, более простой программы.

Такой подход приобретает смысл, если при программировании вырабатываются различные дополнительные правила (более высокоуровневые парадигмы, выполнение требований внешних библиотек, стереотипные методы реализации определенных функций и пр.). При этом часть кода теряет содержательный смысл и становится лишь механическим выполнением правил. Когда эта часть становится значительной, возникает мысль задавать вручную лишь содержательную часть, а остальное добавлять автоматически. Это и проделывает генератор.

Реализуется двумя основными методами:

• Шаблоны (наиболее известные случаи применения — препроцессор Си и шаблоны в C++)

Решают задачу, если соблюдение «правил» сводится к вставке в программу повторяющихся (или почти повторяющихся) кусков кода. Помимо этого, обладают ещё рядом достоинств: например, помогают повторному использованию. См. также: полиморфизм

• Внеязыковые средства (пример: генераторы синтаксических и лексических анализаторов lex, yacc, bison)

Применяются в случаях, если простых средств вроде шаблонов недостаточно. Язык генератора составляется так, чтобы автоматически или с минимальными усилиями со стороны программиста реализовывать правила парадигмы или необходимые специальные функции. Фактически, это — более высокоуровневый язык программирования, а генератор — не что иное, как транслятор. Генераторы пишутся, как правило, для создания специализированных программ, в которых очень значительная часть стереотипна, либо для реализации сложных парадигм.

• В Perl существует понятие «source filters» («фильтров исходного кода») — метода переработки файлов с исходным кодом перед выполнением, позволяющего полностью менять синтаксис и семантику языка. Одним из известных примеров является модуль Lingua::Romana::Perligata, позволяющий писать код Perl на латыни.
• В Форт программисту предоставляют встроенные в язык возможности по изменению своего синтаксиса и семантики. Это достигается определением архитектуры виртуальной машины и полного доступа к возможностям изменения её составляющих.

Самомодифицирующийся код

Возможность изменять или дополнять себя во время выполнения превращает программу в виртуальную машину. Хотя такая возможность существовала уже давно на уровне машинных кодов (и активно использовалась, например, при создании полиморфных вирусов), с метапрограммированием обычно связывают перенос подобных технологий в высокоуровневые языки.

Основные методы реализации:

• Интроспекция — представление внутренних структур языка в виде переменных встроенных типов с возможностью доступа к ним из программы.

Позволяет во время выполнения просматривать, создавать и изменять определения типов, стек вызовов, обращаться к переменной по имени, получаемому динамически и пр.

• Пространство имён System.Reflection и тип System.Type в .NET; классы Class, Method, Field в Java; представление пространств имен и определений типов через встроенные типы данных в Python; стандартные встроенные возможности в Форт по доступу к ресурсам виртуальной машины; получение значения и изменение свойств почти любого из объектов в ECMAScript (с оговорками).

• Интерпретация произвольного кода, представленного в виде строки.
  • Существует естественным образом во множестве интерпретируемых языков, например, eval() в PHP.
  • Компилятор Tiny C позволяет «на лету» компилировать и исполнять код на языке C, представленный в виде строки символов.
  • Для Форт использования процедуры интерпретации из строки EVALUATE.

В языке Пролог метапрограммирование позволяет автоматизировать разработку и верификацию (проверку свойств) Пролог-программ. Метапрограммы рассматривают программы на Прологе как термы и позволяют анализировать их свойства и взаимоотношения, строить программы для управления другими Пролог-программами.

См. также

• Предметно-ориентированный язык программирования

Литература

• Метакидес Г., Нероуд А. Принципы логики и логического программирования = Principles of Logic and Logic Programming. — М.: Факториал, 1998. — С. 252-253. — 288 с. — ISBN 5-88688-037-2

Ссылки

• R# — метапрограммирование в .Net
• BOOST MPL LIBRARY (англ.) — библиотека для метапрограммирования с использованием шаблонов C++
• Boost Preprocessor Library (англ.) — библиотека для метапрограммирования с использованием препроцессора C++
• Статья об ещё одном подходе к метапрограммированию (англ.)
• Клаус Крэфт, Анжелика Лангер. Шаблоны выражений (expression templates). Часть 1 Часть 2
• Джонатан Бартлетт, Искусство метапрограммирования, Часть 1: Введение в метапрограммирование