Метапрограммалау: Бағдарламаларды өңдеу және өзгерту техникасы

Кіріспе

Бағдарламалау парадигмасы – компьютерлік бағдарламалау техникасы.

Метапрограммалау – компьютерлік бағдарламалардың басқа бағдарламаларды мәлімет ретінде өңдеуге қабілетті бағдарламалау техникасы. Яғни, бағдарлама басқа бағдарламаларды оқу, жасау, талдау немесе өзгерту үшін, тіпті жұмыс істеп тұрғанда өзін өзі модификациялау үшін құрыла алады. Кейбір жағдайларда бұл бағдарламашыларға шешімді тұжырымдау үшін кодтың көлемін азайтуға, соның салдарынан әзірлеу уақытын қысқартуға мүмкіндік береді. Бұл бағдарламаларға қайта компиляциялаусыз жаңа жағдайларға тиімді бейімделуге де мүмкіндік береді. Метапрограммалау есептеулерді жұмыс уақытынан компиляция уақытына жылдыру, компиляция уақытындағы есептеулерді пайдаланып код жасау және өзін-өзі өзгертетін кодты іске асыру үшін қолданылуы мүмкін. Бағдарламалау тілінің өзінің метатілі болу қабілеті – рефлексия деп аталады. Рефлексия – метапрограммалауды жеңілдетуге арналған бағалы тіл мүмкіндігі. Метапрограммалау 1970-1980 жылдары LISP сияқты тізімдік өңдеу тілдерін пайдалану арқылы кең таралды. LISP аппараттық машиналары 1980 жылдары танымал болды және кодты өңдей алатын қосымшаларды іске қосуға мүмкіндік берді. Олар жиі жасанды интеллект саласындағы қолданбалар үшін қолданылды.

Қадамдар

Метапрограммалау дамытушыларға жалпы бағдарламалау парадигмасына жататын бағдарламаларды жазуға және кодты әзірлеуге мүмкіндік береді. Бағдарламалау тілінің өзі бірінші сыныпты деректер түрі ретінде (Lisp, Prolog, SNOBOL немесе Rebol сияқты) болуы да өте пайдалы; бұл гомоиконизм деп аталады. Жалпылама бағдарламалау, деректер түрлерін нақты көрсету қажеттілігінсіз кодты жазуға мүмкіндік беру арқылы тілдегі метапрограммалау мүмкіндігін қолданады, себебі олар қолданылған кезде параметрлер ретінде берілуі мүмкін. Метапрограммалау әдетте үш жолдың бірімен жұмыс істейді. Бірінші тәсіл – NET IL эмиттеріне ұқсас қолданбалы бағдарламалау интерфейстері (API) арқылы бағдарламалау кодына орындалу уақытының қозғалтқышының ішкі құрылымын ашу. Екінші тәсіл – бағдарламалық командаларды қамтитын өрнектерді динамикалық орындау, көбінесе жолдардан құралады, бірақ JavaScript сияқты аргументтер немесе контекстті пайдаланатын басқа әдістерден де болуы мүмкін. Осылайша, «бағдарламалар бағдарлама жаза алады». Екі тәсіл де бір тілде қолданылса да, көптеген тілдер біреуіне көбірек бейімділік көрсетеді. Үшінші тәсіл – тілден толығымен шығу. Тіл сипаттамаларын қабылдайтын және осы тілдерде кез келген өзгерістерді жүзеге асыратын компиляторлар сияқты жалпы мақсаттағы бағдарламаны түрлендіру жүйелері – жалпы метапрограммалаудың тікелей іске асырылуы болып табылады. Бұл метапрограммалауды мақсатты тілдің өзінде метапрограммалау мүмкіндігі бар-жоғына қарамастан, кез келген мақсатты тілге қолдануға мүмкіндік береді. Мұны Scheme-нің жұмысында және оның C-де кездесетін кейбір шектеулерді C-ді кеңейту үшін Scheme тілінің құрамына кіретін құрылымдарды пайдалану арқылы шешуге мүмкіндік беретінін көруге болады. Lisp, тарихи маңыздылығы және метапрограммалаудың қарапайымдылығы мен қуатының арқасында, метапрограммалау мүмкіндіктері бар ең маңызды тіл болып саналады. Lisp метапрограммасында, unquote операторы (әдетте үтір) бағдарламаны орындау уақытында емес, бағдарлама анықталған кезде бағаланатын кодты енгізеді. Метапрограммалау тілі хост бағдарламалау тілімен бірдей, сондықтан қалаған жағдайда, қолданыстағы Lisp процедураларын метапрограммалау үшін тікелей қайта пайдалануға болады. Бұл тәсіл бағдарламаның деректерімен тікелей жұмыс істейтін интерпретаторды бағдарламаға қосу арқылы басқа тілдерде де іске асырылды. Мұндай іске асырулар кейбір танымал жоғары деңгейдегі тілдер үшін де бар, мысалы, RemObjects’ Pascal Script – Object Pascal үшін.

Metaprogramming enables developers to write programs and develop code that falls under the generic programming paradigm. Having the programming language itself as a first class data type (as in Lisp, Prolog, SNOBOL, or Rebol) is also very useful; this is known as homoiconicity. Generic programming invokes a metaprogramming facility within a language by allowing one to write code without the concern of specifying data types since they can be supplied as parameters when used. Metaprogramming usually works in one of three ways. The first approach is to expose the internals of the run time engine to the programming code through application programming interfaces (APIs) like that for the NET IL emitter. The second approach is dynamic execution of expressions that contain programming commands, often composed from strings, but can also be from other methods using arguments or context, like JavaScript. Thus, "programs can write programs." Although both approaches can be used in the same language, most languages tend to lean toward one or the other. The third approach is to step outside the language entirely. General purpose program transformation systems such as compilers, which accept language descriptions and carry out arbitrary transformations on those languages, are direct implementations of general metaprogramming. This allows metaprogramming to be applied to virtually any target language without regard to whether that target language has any metaprogramming abilities of its own. One can see this at work with Scheme and how it allows tackling some limitations faced in C by using constructs that were part of the Scheme language itself to extend C.

Lisp is probably the quintessential language with metaprogramming facilities, both because of its historical precedence and because of the simplicity and power of its metaprogramming. In Lisp metaprogramming, the unquote operator (typically a comma) introduces code that is evaluated at program definition time rather than at run time. The metaprogramming language is thus identical to the host programming language, and existing Lisp routines can be directly reused for metaprogramming if desired. This approach has been implemented in other languages by incorporating an interpreter in the program, which works directly with the program's data. There are implementations of this kind for some common high level languages, such as RemObjects’ Pascal Script for Object Pascal.

Кодты есептеу

Метапрограммалаудың бір қолданылуы – динамикалық бағдарламалық талдау жүргізу үшін бағдарламаларды тексеру.

Тәуелді типтер

Тәуелді түрлерді қолдану арқылы жасалған кодтың ешқашан жарамсыз болмайтынын дәлелдеуге болады. Дегенмен, бұл тәсіл өте жаңа және көбінесе зерттеу бағдарламалау тілдерінде ғана кездеседі.

Қолданылу

Ерекше метапрограммалау жүйелерінің тізімі «Бағдарлама түрлендіру жүйелерінің тізімі» бетінде ұсталып тұрады.