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 создаётся автоматически программой-генератором на основе другой программы.

Такой подход приобретает смысл, если при программировании вырабатываются различные дополнительные правила (более высокоуровневые парадигмы , выполнение требований внешних библиотек, стереотипные методы реализации определённых функций и пр.). При этом часть кода (или данных) 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.

Различаются два принципиально различных вида кодогенерации:

1. генератор является физически отдельной бинарной программой, не обязательно написанной на целевом языке.
2. целевой язык является одновременно языком реализации генератора, так что метапрограмма составляет с целевой программой единое целое.

Наиболее распространённым и наглядным примером первого случая являются , где метапрограмма нацелена на пользовательское программирование , позволяя не сведущим в программировании специалистам в области эргономики принимать непосредственное участие в разработке программных продуктов. В этом случае метапрограмма оказывается заведомо намного более сложной, крупной и трудоёмкой в разработке, чем порождаемый ею код, и её разработка оправдывается частотой её использования. Следует отметить, что на практике, как правило ^{[ источник не указан 2920 дней ]} (но не обязательно), такого рода метапрограммы пишутся на императивных языках для использования в императивных же языках, и поставляются в скомпилированном виде. Недостатком этого метода является невозможность повторного использования кода метапрограммы при разработке новых, более сложных метапрограмм.

Другим примером являются генераторы синтаксических и лексических анализаторов , такие как Lex , , ANTLR , bison .

Второй случай представляет собой встраивание языка и реализуется тремя статическими методами c использованием макросредств языка или чистым встраиванием. В этом случае наработки, накопленные в процессе разработки метапрограмм, в дальнейшем могут интенсивно повторно использоваться для разработки новых метапрограмм .

Другие примеры:

• 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 , 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 полным доступом 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:

• Гомоиконность — инструкции по самоидентификации или изменению кода основываются на том же синтаксисе, что и сам код.

• Интроспекция — представление внутренних структур языка в виде переменных встроенных типов с возможностью доступа к ним из программы (в терминах C++ это будет соответствовать технологиям динамического полиморфизма и динамического приведения типов).

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 (впервые функция eval была реализована в Lisp , а точнее, непосредственно перед ним, ставшим её первым реализованным интерпретатором).
  • 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

• Сверхвысокоуровневый язык программирования
• Языково-ориентированное программирование
• Предметно-специфичный язык

Примечания

Ссылки

• — метапрограммирование в .Net
• (англ.) — библиотека для метапрограммирования с использованием шаблонов C++
• (англ.) — библиотека для метапрограммирования с использованием препроцессора C++
• (англ.)
• Клаус Крэфт, Анжелика Лангер. Шаблоны выражений (expression templates).