メタプログラミング

メタプログラミングとは、コンピュータプログラムが他のプログラムをデータとして扱うことができるコンピュータプログラミング手法である。つまり、プログラムは実行中に他のプログラムを読み取り、生成、分析、変換し、さらには自分自身を変更するように設計できる。^{[1] [2]}場合によっては、これによりプログラマはソリューションを表現するためのコード行数を最小限に抑えることができ、開発時間を短縮できる。^[3]また、プログラムはより柔軟になり、再コンパイルすることなく新しい状況を効率的に処理できるようになる。

メタプログラミングは、計算を実行時からコンパイル時に移したり、コンパイル時の計算を使用してコードを生成したり、自己修正コードを有効にしたりするために使用できます。プログラミング言語が独自のメタ言語になる能力はリフレクションプログラミングを可能にし、リフレクションと呼ばれます。^[4]リフレクションは、メタプログラミングを容易にするための貴重な言語機能です。

メタプログラミングは、1970 年代から 1980 年代にかけて、 Lispなどのリスト処理言語を使用して人気を博しました。Lisp マシンハードウェアは 1980 年代に注目され、コードを処理できるアプリケーションを実現しました。これらは、人工知能アプリケーション によく使用されました。

メタプログラミングにより、開発者はジェネリックプログラミング パラダイムに該当するプログラムを記述し、コードを開発できます。プログラミング言語自体を第一級データ型にすることも非常に有用です( Lisp、Prolog、SNOBOL、またはRebolなど)。これは同図像性として知られています。ジェネリックプログラミングは、使用時にパラメータとしてデータ型を指定できるため、データ型の指定を気にせずにコードを記述できるようにすることで、言語内でメタプログラミング機能を呼び出します。

メタプログラミングは通常、3つの方法のいずれかで機能します。^[5]

1. 最初のアプローチは、 .NET共通中間言語(CIL) エミッターなどのアプリケーション プログラミング インターフェイス(API) を通じて、ランタイム システム(エンジン)の内部をプログラミング コードに公開することです。
2. 2番目のアプローチは、プログラミングコマンドを含む式の動的な実行です。プログラミングコマンドは文字列で構成されることが多いですが、 JavaScriptのように引数やコンテキストを使用する他の方法から構成されることもあります。^[6]したがって、「プログラムはプログラムを書くことができます。」両方のアプローチを同じ言語で使用できますが、ほとんどの言語はどちらか一方に傾く傾向があります。
3. 3番目のアプローチは、言語から完全に抜け出すことです。言語記述を受け入れ、それらの言語に対して任意の変換を実行するコンパイラなどの汎用プログラム変換システムは、汎用メタプログラミングの直接的な実装です。これにより、対象言語が独自のメタプログラミング機能を持っているかどうかに関係なく、事実上あらゆる対象言語にメタプログラミングを適用できます。これはSchemeで機能し、 Scheme言語の一部である構成要素を使用してCを拡張することで、Cが直面するいくつかの制限に取り組むことができることがわかります。 ^[7]

Lisp は、歴史的な先例とメタプログラミングの単純さと強力さの両方から、おそらくメタプログラミング機能を備えた典型的な言語です。Lisp メタプログラミングでは、アンクォート演算子 (通常はカンマ) によって、実行時ではなくプログラム定義時に評価されるコードが導入されます。したがって、メタプログラミング言語はホスト プログラミング言語と同一であり、既存の Lisp ルーチンは必要に応じてメタプログラミングに直接再利用できます。このアプローチは、プログラムのデータを直接操作するインタープリタをプログラムに組み込むことによって、他の言語に実装されています。RemObjectsのPascal Script for Object Pascalなど、いくつかの一般的な高水準言語では、この種の実装があります。

メタプログラムの簡単な例として、生成プログラミングの例である次のPOSIX シェル スクリプトがあります。

#!/bin/sh 
# メタプログラム
echo '#!/bin/sh' > program
 for i in $( seq 992 ) do echo "echo $i " >> program
 done 
chmod +x program
       

         

このスクリプト (またはプログラム) は、1 から 992 までの数字を出力する 993 行の新しいプログラムを生成します。これは、コードを使用してより多くのコードを記述する方法の単なる例であり、数字のリストを出力する最も効率的な方法ではありません。とはいえ、プログラマーは 1 分未満でこのメタプログラムを記述して実行することができ、その時間内に 1000 行を超えるコードを生成することになります。

クワインは、出力として独自のソース コードを生成する特殊な種類のメタプログラムです。クワインは、一般的に娯楽目的または理論的な興味のみを目的としています。

すべてのメタプログラミングに生成プログラミングが含まれるわけではありません。プログラムが実行時に変更可能である場合、または増分コンパイルが利用可能な場合 ( C#、Forth、Frink、Groovy、JavaScript、Lisp、Elixir、Lua、Nim、Perl、PHP、Python、Rebol、Ruby、Rust、R、SAS、Smalltalk、Tclなど)、ソース コードを生成せずにメタプログラミングを実行するテクニックを使用できます。

生成的アプローチの 1 つのスタイルは、ドメイン固有言語(DSL) を使用することです。DSL を使用するかなり一般的な例として、生成的メタプログラミングがあります。lexとyaccは、字句解析器と構文解析器を生成するために使用される 2 つのツールで、ユーザーは正規表現と文脈自由文法を使用して言語を記述し、言語を効率的に解析するために必要な複雑なアルゴリズムを埋め込むことができます。

メタプログラミングの 1 つの用途は、動的なプログラム分析を行うためにプログラムを計測することです。

メタプログラミング機能を完全に使いこなすには、急激な学習曲線があると主張する人もいます。^[8]メタプログラミングは実行時に柔軟性と構成可能性を高めるため、メタプログラミングを誤用したり不適切に使用したりすると、平均的な開発者にとってデバッグが非常に困難な不当で予期しないエラーが発生する可能性があります。注意して使用しないと、システムにリスクをもたらし、システムの脆弱性を高める可能性があります。メタプログラミングの誤った使用によって発生する可能性のある一般的な問題のいくつかは、不足している構成パラメータをコンパイラが識別できないこと、無効または不正確なデータによって未知の例外や異なる結果が発生する可能性があることです。^[9]このため、一部の人は、^[8]高度なスキルを持つ開発者だけが言語またはプラットフォームでメタプログラミングを実行する機能の開発に取り組むべきであり、平均的な開発者は慣例の一部としてこれらの機能の使用方法を学習する必要があると考えています。

• Lisp、ほとんどの方言
  • クロージュア
  • コモンリスプ
  • ラケット
  • Scheme 衛生マクロ
• マクロML
• テンプレートHaskell
• スカラ
• ニム
• さび
• ハクセ
• ジュリア
• エリクサー

IBM /360とその派生製品には強力なマクロ アセンブラ機能があり、完全なアセンブリ言語プログラム^[要出典]またはプログラムの一部 (たとえば、異なるオペレーティング システム用) を生成するためによく使用されていました。CICS トランザクション処理システムで提供されるマクロには、前 処理手順としてCOBOLステートメントを生成するアセンブラ マクロがありました。

MASMなどの他のアセンブラもマクロをサポートしています。

メタクラスは次のプログラミング言語によって提供されます。

• コモンリスプ^[10]
• パイソン
• ゼロ
• グルーヴィー
• ルビー
• 雑談
• ルア

• C「Xマクロ」
• C++テンプレート^[11]
• だ
• Common Lisp、Scheme、およびほとんどのLisp方言では、準引用符（「バッククォート」）演算子を使用します。^[12]
• ニム

• メタML
• メタOCaml
• Scalaネイティブまたは軽量モジュラーステージングフレームワーク^{[13] [14]を使用する}
• テラ

依存型を使用すると、生成されたコードが無効にならないことを証明できます。^[15]しかし、このアプローチは最先端のものであり、研究用プログラミング言語以外ではほとんど見られません。

注目すべきメタプログラミング システムのリストは、プログラム変換システムのリストで管理されています。

• c2.com Wiki: メタプログラミングの記事
• プログラム変換 Wiki のメタプログラミング
• コード生成とメタプログラミング
• 「ソレノイド」: eXist-db の最初のメタプログラミング フレームワーク