[译]元编程

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2021-01-21 约 2185 字预计阅读 5 分钟次阅读

本文翻译自 stereobooster 的博客文章：metaprogramming ，少量删改。完整内容参阅原文。

什么是元编程

不好的是，没有一个达成共识的单一定义。让我们参阅一下：

元编程是一种编程技术，指计算机程序具有将其他程序视为其数据的能力。 – wikipedia

元编程是指程序具有了解自身或操纵自身的多种方式。 – stackoverflow 上的流行答案

“支持元编程”意味着用户可以有效修改该语言内置语法(例如 Lisp 的宏)或扩展该语言常规语法(例如 C 的预处理程序)。 – rosettacode

没有一个很好的定义，让我们看一些例子。当人们谈论元编程时，他们可能指的是：

macros in Lisp (1960)
preprpcessor in C (1973)
hygenic macros in Scheme (1986)
C++ templates (1986)
“Dynamic” metaprogramming in Smalltalk (1980) and Ruby (1995-2005?)
Reflections in Java (1997)

两类元编程

元编程大致分为两类：

一种是(编译时)作为源代码(例如宏，预处理器，模板)，通常称为“宏”
另一种是(运行时)基于“OOP 技巧”(例如动态调度和反射)以支持其他行为，这没有名字，我把它称为“动态”

	compile time	runtime
macros in Lisp	?	+
Preprocessor, templates	+
Dynamic metaprogramming		+

动态元编程

元编程是编写在运行时操纵(自身)语言结构的代码。 – Ruby 元编程

元编程在 Ruby 中比在其他的动态类型语言中更常用，尤其是在 Rails 中，例如：Path and URL Helpers 。动态元编程的缺点是“事物”没有源代码：你看到了一个函数，但是你不知道它的定义位置，这破坏了“grep test ”。另一个缺点是它趋向于变慢，例如，参见 Rails / DynamicFindBy 。

编程语言：

主要用法：

消除重复代码(DRY)，例如，David Beazley 在演讲中展示了很多例子。
创建嵌入式领域特定语言(EDSL)，Martin Fowler 称它们为内部 DSL 。例如，Sass (能转换为 CSS 的 Ruby EDSL)，Haml (能转换为 HTML 的 Ruby EDSL)，Active Record 查询接口(能转换为 SQL 的 Ruby EDSL)，最重要的是 Rake(替代 Make 的 Ruby EDSL)。
“扩展语言”

关于扩展语言

如何扩展语言？可以添加更多关键字(扩展词法)，也可以添加更多关键字的组合规则(扩展语法)。

我们很容易添加更多关键字，例如，定义新的函数、模块、变量，但并不是所有种类 – 仅限于语言语法允许使用的标识符(例如，我不能定义 :?:)。在 Ruby 和 Python 中，可以重载运算符(+,-,>,< 等)，但不能定义新的运算符。据我所知，这些语言均不允许我定义新的语法规则，例如，我无法定义自己的 if/else 版本。

但程序员们总能找到一种方法来解决这个问题 – 可以重用现有的语法，让它看起来像是另一种语法。例如，在函数式语言中，有一个漂亮的“模式匹配”的概念。OCaml:

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match value with
| pattern -> result
| pattern -> result

或是 Scheme:

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(let ((l '(hello (world))))
 (match l
 ((x y)
 (values x y))))

这是在 JavaScript 中的实现：

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const { matches } = require("z");
const result = matches(1)(
  (x = 2) => "number 2 is the best!!!",
  (x = Number) => `number ${x} is not that good`,
  (x = Date) => "blaa.. dates are awful!"
);

这是一个旧语法，但如果你细心，它看起来就像 OCaml 中的模式匹配。在幕后，它使用 toString 检查实际的代码，因为以前没有一等公民的反射对象。另一个值得注意的技术是“链式”(例如 jQuery 和 Active Record 查询接口)。

Macros(宏)

宏是一个宽泛的范畴，让我们看一下使用示例来了解这一点。

语法扩展

在 Lisp 中 if/else 表达式像这样：

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(if condition
 (print 1)
 (print 2))

定义具有相同结构的函数很容易：

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(my-if condition
 (print 1)
 (print 2))

关键在于，Lisp 中的函数是立即执行的。这意味着在将参数传递给函数之前，它就会执行 then 和 else 两个分支，这就是宏的作用。有了宏，就可以定义自己的 if 版本，像你期望的那样。

另请参阅：

DSL

JSX 是 ECMAScript 中类似 XML 的语法扩展，没有任何定义的语义 – Draft: JSX Specification

它本质上是一个 DSL。而负责编译它的 Babel 插件是一个预处理器。你可以使用其他的元编程技术来实现同样的结果 – 参见 JSX 的替代方案。

多态性

…多态语言，其中一些值和变量可能有一个以上的类型。多态函数是指其操作数(实际参数)可以有一个以上类型的函数。多态类型是指其操作可以适用于一种以上类型的值的类型。 – On Understanding Types, Data Abstraction, and Polymorphism

令我惊讶的是:

动态类型语言，是非常灵活的(但也很容易给自己找麻烦)。
静态类型的语言，具有完全的多态性支持，如 OCaml，Haskell 等。
没有多态性或在多态性上有一定限制的静态类型语言(Pascal，Go)。

最后一类编程语言可以使用元编程来实现类似多态性的东西(“提高灵活性”)。在 GO 中，没有参数多态(或类型参数，或泛型)，于是人们创造了解决方法，例如，gengen (类似的解决方案 genny ，generic ，gen )。

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package list

import "github.com/joeshaw/gengen/generic"

type List struct {
    data generic.T
    next *List
}

然后，您需要运行预处理器：

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$ gengen github.com/joeshaw/gengen/examples/list string

你会得到类型准确的代码:

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package list

type List struct {
    data string
    next *List
}

另请参阅：Who needs generics? Use … instead! , The Next Step for Generics.

DRY

模板元程序员利用这种机制来提高：源代码的灵活性和运行时性能。 – Walter E. Brown “Modern Template Metaprogramming: A Compendium, Part I”

在 C++中，有函数重载(即一种多态)，但它会产生很多重复：

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double abs(double x) {
 return (x >= 0) ? x : -x;
}
int abs(int x) {
 return (x >= 0) ? x : -x;
}

你可以编写函数模板：

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template<typename T>
T abs(T x) {
  return (x >= 0) ? x : -x;
}

性能

通常认为，在编译时进行宏扩展可以提高性能。对我来说这很合理，但我没有很好的例子。

宏和类型

Lisp(和 Scheme)宏非常强大，但它们不能与静态类型检查器一起很好地工作。假设我们有确保能够终止的宏，并且能在编译时扩展(语法糖)并进行类型检查生成的代码，下一个问题是在生成的代码中报告类型错误，这也会很混乱。

有多种尝试使宏与静态类型更好地配合使用，例如：

参阅资料

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