Metaprogramozás

A metaprogramozás egy programozási módszer, amiben a számítógépes programok adatokként kezelnek programokat. Ez azt jelenti, hogy a program olvas, generál, elemez, transzformál egy másik programot, vagy futás közben módosítja önmagát.^[1][2] Bizonyos esetekben ez lehetővé teszi, hogy a forráskód rövidebb legyen, ami lerövidítheti a fejlesztés idejét.^[3] Néha ez utóbbi fordítva van, de a program rugalmasabbá válik abban, hogy újrafordítás nélkül is kezeljen új helyzeteket.

Használható arra is, hogy egyes számításokat a futásidőből áttegye fordítási időbe, és saját magát módosító kódot hoz létre. A nyelv, amin metaprogramozást végeznek, metanyelv. A manipulált program nyelve a tárgynyelv. A reflexió a programnyelvnek az a képessége, hogy önmaga metanyelve legyen.^[4] A reflexió értékes eszköz a metaprogramozás támogatására.

Megközelítések

A metaprogramozás lehetővé teszi generikus kód fejlesztését. Nagyon hasznos, ha a nyelv képes első osztályú adattípusként kezelni saját magát, mint a Lisp, Prolog, SNOBOL, vagy Rebol nyelvek. A generikus programozás lehetővé teszi, hogy úgy lehessen kódolni, hogy nem specifikáljuk előre, hogy az milyen típusra vonatkozik, mivel azokat paraméterként fogják helyettesíteni használatkor.

Többnyire a következő módok valamelyike áll a metaprogramozás mögött:^[5]

• Futásidőben elérhető a futtató környezet belseje a futtatott kódból egy API-n keresztül. Ilyen a .NET IL kibocsátó.
• Programkódot tartalmazó kifejezések dinamikus végrehajtása. A kódot gyakran karakterláncokból állítják össze, de másként is létrehozható paraméterekből és környezetből, mint például JavaScript.^{[* 1]} Így program ír programot.

Habár a legtöbb nyelv mindkét módszert lehetővé teszi, többnyire elmennek az egyik vagy a másik irányba.

A harmadik megközelítés szerint a nyelvet teljesen kívülről nézik.^[5] Az általános célú programtranszformációs rendszerek a generikus metaprogramozás közvetlen implementációi, például azok a fordítók, amelyek fogadják a nyelv leírását, és bármely transzformációt elvégeznek ezeken a nyelveken. Ez lehetővé teszi, hogy bármely célnyelvre alkalmazható legyen a metaprogramozás, függetlenül attól, hogy vannak-e eszközök, amelyekkel az adott nyelven metaprogramozást lehet végezni. Ezt láthatjuk működni a Scheme programozási nyelvvel, valamint azzal, hogyan lehet túllépni a C korlátain a Scheme nyelv szerkezeteinek segítségével.^[7]

Példák

Egy egyszerű példa ez a shell szkript, ami a generatív programozás egy példája:

#!/bin/sh
# metaprogram
echo '#!/bin/sh' >program
for I in $(seq 992)
do
        echo "echo $I" >> program
done
chmod +x program

A szkript egy 993 soros programot hoz létre, ami kiírja a számokat 1-től 992-ig. Ez ugyan nem hatékony módszer, csak bemutatja, hogyan lehet kódot generálni. Viszont a programozó egy perc alatt megírhatja, ezzel ennyi idő alatt 1000 sort generálva.

A quine egy speciális metaprogram, ami önmagát hozza létre. Egyes nyelvekben az üres program érvényes program, ezért ez a legkisebb quine az ilyen nyelveken. Ezek a programok csak tudományos jelentőséggel bírnak. 1994-ben az üres program nyerte el A legrosszabb visszaélés a szabályokkal díjat az International Obfuscated C Code Contest (IOCCC) versenyen.^[8]

Nem minden metaprogram használ generikusságot. A futásidejű önmódosítás vagy az inkrementális fordítás lehetősége is felhasználható anélkül, hogy aktuálisan forráskódot generálnának. Ezeket is sok nyelv támogatja, mint C#, Forth, Frink, Groovy, JavaScript, Lisp, Lua, Perl, PHP, Python, REBOL, Ruby, Smalltalk, és Tcl.

A metaprogramozásra a Lisp nyújtja a legtöbb lehetőséget. Az unquote operátor (tipikusan a vessző) által bevezetett programszakasz definiálási időben hajtódik végre. Így a metaprogramozás nyelve ugyanaz, mint a gazdanyelv, és már létező Lisp rutinok közvetlenül használhatók metaprogramozáshoz. Más programnyelvek ezt egy értelmező beépítésével oldják meg, ami közvetlenül a program adatait elemzi. Néhány gyakran használt nyelv számára vannak ilyen implementációk, például a RemObject Pascal Scriptje az Object Pascal számára.

A metaprogramozás egy megközelítése a beágyazott nyelvek (DSL) használata. A lex és a yacc a generikus metaprogramozást szolgálja, és lexikai elemzőket és parsereket generálnak. A felhasználónak csak a megfelelő szabályos kifejezéseket és környezetfüggetlen nyelvtanokat kell megírnia, meg a nyelv hatékony parszolását végző algoritmusokat implementálnia.

Támogatás és kihívások

A metaprogramozás haszna az, hogy felgyorsíthatja a fejlesztést, és növeli azoknak a programozóknak a teljesítményét, akik megtanulták és begyakorolták. Néhány elemzés szerint meredek a tanulási görbe, ameddig a fejlesztő megtanulja a metaprogramozás teljes eszközkészletét, és felgyorsul.^[9] Mivel nagyobb hatékonyságot és rugalmasságot ad futásidőben, hibás használata vagy a vele való visszaélés váratlan hibákat eredményezhet mindenféle figyelmeztetés nélkül, amelyeket nehezebb észrevenni és javítani. Ha nem elég körültekintően használják, akkor sérülékenyebbé teszi a rendszert. Ezek egy részét egy megfelelő fordító meg tudná előzni, ha legalább figyelmeztet a hiányzó paraméterekre, az érvénytelen vagy inkorrekt adatokra, amelyek a kívánttól eltérő eredményeket vagy ismeretlen típusú kivételeket okozhatnak.^[10] Éppen ezért egyes kritikusok szerint csak képzett és tapasztalt programozóknak lenne szabad megengedni azt, hogy metaprogramozást támogató eszközöket hozzanak létre egy nyelvhez vagy környezethez, és a többi programozónak először egy konvenció részeként kell megtanulnia, hogyan bánjon velük.

Felhasználása különböző nyelvekben

Makrórendszerek

• Scheme higiénikus makrók
• MacroML
• Template Haskell
• Scala makrók

Makró assemblerek

Az IBM/360 és továbbfejlesztései fejlett makró assembler lehetőségekkel bírtak, amelyeket gyakran használtak arra, hogy egész Assembly programokat generáljanak ^[forrás?] vagy programszakaszokat hozzanak létre például különböző operációs rendszerek számára. A CICS tranzakciófeldolgozó rendszer assembler makrói COBOL utasításokat generáltak előfeldolgozó lépésként.

Más assemblerek, például az MASM, is támogatnak makrókat.

Metaosztályok

Metaosztályokat tartalmaznak a következők:

• Python
• Nil
• Groovy
• Ruby

Template metaprogramozás

Bővebben: Template metaprogramozás

• C "X Makrók"
• C++ sablonok

Staged metaprogramozás

• MetaML
• MetaOCaml

Függő típusokkal

• A függő típusok használata kizárja, hogy érvénytelen kód jöjjön létre.^[11] Azonban ez a megközelítés bleeding-edge, és ritkán lehet vele találkozni a kutatási célokra készült nyelveken kívül.

Implementációk

• ASF+SDF Meta Environment
• DMS Software Reengineering Toolkit
• Joose (JavaScript)
• JetBrains MPS
• Moose (Perl)
• Nemerle
• Rascal Metaprogramming Language
• Stratego/XT
• Template Haskell

Megjegyzések

1. Például az instance_eval paramétere Rubyban lehet karakterlánc és névtelen függvény is.^[6]