Метапрограммирование

Метапрограммирование — вид программирования, связанный с созданием программ, которые порождают другие программы как результат своей работы^[1](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:

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

Наиболее распространённым и наглядным примером первого случая являются GUI-построители, 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^[] (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, YACC, 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^[2].

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 Lingua::Romana::Perligata, позволяющий писать код Perl на латыни.^[3]
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^[4].