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元编程

2020年02月17日

简介

谈元编程与表达能力

从文中,笔者收获了对运行时的一个理解:当相应的行为在当前对象上没有被找到时,运行时会提供一个改变当前对象行为的入口。从这个视角看,Spring 也可以认为是 java 的一个runtime,通过ApplicationContext 获取的bean 拥有 bean代码本身看不到的能力。

元编程

当我们刚刚开始学习和了解编程这门手艺或者说技巧时,一切的知识与概念看起来都非常有趣,随着学习的深入和对语言的逐渐了解,我们可能会发现原来看起来无所不能的编程语言成为了我们的限制,我们只能一遍一遍地写重复的代码来解决本可以轻松搞定的问题。

元编程(Metaprogramming)是计算机编程中一个非常重要、有趣的概念,维基百科 上将元编程描述成一种计算机程序可以将代码看待成数据的能力。

Metaprogramming is a programming technique in which computer programs have the ability to treat programs as their data.

如果能够将代码看做数据,那么代码就可以像数据一样在运行时被修改、更新和替换(你学过编译原理就知道,在 CPU 眼里,程序本来就是数据。先把文本形式的代码变成 Token,再变成 AST,然后是 IR,最后是汇编代码和机器代码。);元编程赋予了编程语言更加强大的表达能力,通过编译期间的展开生成代码或者允许程序在运行时改变自身的行为。归根结底就是一种使用代码生成代码的思想,消灭重复的代码,极大地增强编程语言的表达能力。

编译期间元编程

宏和模板

宏是很多编程语言具有的特性之一,它是一个将输入的字符串映射成其他字符串的过程,这个映射的过程也被我们称作宏展开。

  1. 基本文本替换的宏

     #define plus(a, b) a + b
     #define BUFFER_SIZE 1024
     char *foo = (char *)malloc(BUFFER_SIZE);
     char *foo = (char *)malloc(1024);
     int main(int argc, const char * argv[]) {
         printf("%d", plus(1, 2));       // => 3
         return 0;
     }
    
  2. 基于语法树和语法元素的宏

     macro_rules! foo {
         (x => $e:expr) => (println!("mode X: {}", $e));
         (y => $e:expr) => (println!("mode Y: {}", $e));
     }
     fn main() {
         foo!(y => 3); // => mode Y: 3
     }
    

运行期间元编程

运行时/runtime,当相应的行为在当前对象上没有被找到时,运行时会提供一个改变当前对象行为的入口,在篇文章中提到的运行时不是广义上的运行时系统,它特指面向对象语言在方法决议的过程中为外界提供的入口,让工程师提供的代码也能参与到当前的方法决议和信息发送的过程。

Ruby 提供了一些在运行期间能够改变自身行为的入口和 API 可以帮助我们快速为当前的类添加方法或者实例变量。,当我们调用 Dog 实例的一个方法时,Ruby 会先找到当前对象的类,然后在由 superclass 构成的链上查找并调用相应的方法,这是 OOP 中非常常见的,向右再向上的方法查找过程。如果方法在整个继承链上都完全不存在时,就会调用 #method_missing 方法,并传入与这次方法调用有关的参数。 也就是说:我们可以在method_missing 中为 Dog 添加一个方法。

其它

Java 的泛型就是在编译期间实现的,它的泛型其实是伪泛型,在编译期间所有的泛型就会被编译器擦除(type erasure),生成的 Java 字节码是不包含任何的泛型信息的,但是 C# 对于泛型就有着不同的实现了,它的泛型类型在运行时进行替换,为实例化的对象保留了泛型的类型信息。

Java 的注解需要在编译期被解析出来。在 Java 编译器中,注解被看作是符号的元数据,编译器可以在三个时机使用这些注解:一是在编译时,二是在类加载时,三是在类运行时。对于后两者,编译器需要做的工作比较简单,把注解内容解析出来,放到 class 文件中。而有些注解是要在编译期就处理的,这些注解最后就没必要保存到 class 文件。那在编译阶段会利用注解做什么呢?最主要的用法,是根据注解动态生成程序,并且也被编译器编译。