Generative metaprogrammingTag ArchiveSubscribe

前言 本系列分为上中下三个篇章，前四章作为上篇，详细介绍了宏在产生式编程中的原理和应用，本章开始步入中篇，正式进入 C++ 的产生式元编程技术。 宏是 C 时期的产物，功能颇为简陋，亦非图灵完备，即或诸般奇技妙诀加身，限制仍多。且调试不易，有所束缚，以是仅作辅助，用来实现简单的代码生成功能。至 C++ 时期，产生式元编程工具陡增，其中以模板为一切的根基，发枝散叶，尔今正向静态反射前进。 本章涉及不计其数的模板技术，主要集中于模板的核心理论和用法，概念错综复杂，技术层出不穷。难度等级绝对不低，是本系列中非常重要的一章。 纵然某些概念和技术你已知悉，也莫要跳过某个小节，因为本系列的重心不在模板编程，而在产生式编程，论述角度将有所差异。 泛型……元编程 传统过程式编程的思路是将逻辑作为函数，数据作为函数的输入和输出，通过无数个函数来组织完整的逻辑需求，好似搭积木，构建出各种物体。 面向对象编程更进一步，思路是将逻辑和数据合并起来，构成一个个类，类中包含各种数据和函数，外部只能借助公开函数操纵这些数据。这种以对象表示现实事物的方式与人的思维更加接近，简化了抽象化的难度。 泛型编程则欲将逻辑和数据分离，并提供一种抽象化数据的方式，使得不同的数据能够使用同一种逻辑，极大降低了代码的重复性。于是，同一个函数能够传递不同的参数类型，这叫函数模板；同一个类能够传递不同的数据，这叫类模板。 C++ 是一种多范式语言，以模板支持泛型编程，允许编写泛型的函数和数据，功能不依赖于某种具体的数据类型，使用 SFINAE 和 Concepts 约束抽象化的类型。这种能力使其支持 Parametric Polymorphism，在多态的选择上不必局限于传统的 Subtype Polymorphism，可以使用编译期多态替代运行期多态。 C++ 中，元编程指的是发生于编译期的编程，模板为 C++ 带来泛型编程的同时，也带来了元编程能力。由模板实现的元编程，称为模板元编程。而产生式元编程，指的是发生于编译期的对于编程的编程，模板本就支持在编译期生成代码，因此模板也能够实现产生式元编程。 抽象化、具体化……模板 在模板世界中，函数不再是具体的函数，数据类型也不再是具体的数据类型。模板宛如一个模具，借其能够产生各式各样的物体，这些物体的颜色、材料可能不尽相同，但是形状、大小是一致的。也就是说，一类物体，必须存在共同的部分，才能够抽象出一个模具，模具的作用就是重复利用这些共同之处，减少重复性。 编程是工具，本质是解决问题，解决问题考验的就是抽象化和具体化的能力。抽象化应对的是现实世界中的不变，而具体化应对的是现实世界中的变化，能够清楚地认识到变与不变是什么，问题也就迎刃而解了。那先来分清抽象化和具体化的概念。 抽象的意思是，在许多事物中，去除非本质的属性，抽出本质属性。抽象化就是呈现出具体事物共同本质的过程。将复杂的现实，简化成单纯的模型，这种抽象化方式称为模型化，所谓问题建模，就是对问题进行模型化，也即抽象的过程。具体的概念相对简单，就是指看得见摸得着的事物，每个事物都是独一无二的，是以变化尤盛。具体化就是将抽象事物加载清晰的过程，是一种有助于理解陌生事物的方式。数据类型是具体事物，能够清晰简明地呈现出不同数据类型的共同逻辑，就是用模板类型代替具体类型的精妙之处。 模板本身是一种抽象化的工具，以其编写的是抽象逻辑，表示某类类型的共有本质，是不变的部分。其本身是没有用的，实际需要的还是具体逻辑，因此需要有具体化的过程，将抽象逻辑转变为具体逻辑。在 C++ 模板中，这种将抽象逻辑转变成具体逻辑的过程，称为实例化。实例化将在编译期将抽象类型替换成具体类型，根据模板生成一个个具体逻辑。这种实例化机制，便是我们所需要的代码生成能力。 与宏不同，模板具体化后生成的代码，并无法直接在生成的源码中看到，但是可以通过 CppInsight 这类工具察看。 比如： template <typename T> inline constexpr T Integer = 42; int… Continue Reading 《产生式元编程》第五章 忆昔年模板三两事

宏部分完结 本系列断更良久，去年已更新前三章： 《产生式元编程》 第一章 宏编程计数引原理 《产生式元编程》 第二章 自复用代码生成技 《产生式元编程》 第三章 替换蓝染概念纤悉 宏部分的核心理论和技术，于此三章，悉已更讫。利用这些原理和技巧，可以实现一些简单的代码生成工具，得到初步的产生式元编程能力。 本系列原定十章，宏只是其中的第一个模块，属于上篇。上篇完结后，将产生一个产生式元编程库，再步入中篇。由是，本系列由虚向实，自理论技术诞生项目，复从项目推进续篇，循此迭代。 章章衔进，写来岂是容易？再有诸事相羁，停更半载有余，亦是无奈。近来乘暇推进，初版已卒，遂以续更。 本章乃承上启下之篇，为上篇画句号，为中篇起草稿。 GMP 产生式元编程库 本系列将同步产生一个产生式元编程库，名为 GMP，可在 GitHub 找到 https://github.com/lkimuk/gmp 。该库的侧重点是提供产生式编程工具，可在编译期实现代码生成。 基于前三章的内容，已添加宏模块的基本功能，跨平台，可实现简单的代码生成。其余模块将随着后续章节持续添加。 下面是一些使用例子。 获取可变宏参数数量： #include <gmp/gmp.hpp> int main() { // Output: 0 1 2 3 4 5 6 7 printf("%d %d %d %d %d %d %d %d\n", GMP_SIZE_OF_VAARGS(),… Continue Reading 《产生式元编程》第四章 封装合并框架顿立

前两章主要集中于应用实践，理论概念都是蜻蜓点水，本章将重点放在这些概念原理上，深入讲解一下。 宏二段替换 源文件扫描后，宏被替换为目标内容，替换实际上分为两个阶段。 第一阶段的替换发生在参数替换之时。 当宏函数含有参数时，该参数会被替换。只有两种情况例外，一是 token 前面含有 # 或 ## 预处理标记，二是后面紧跟着 ## 预处理标记。 例如： #define Def(x) x #define Function(x, y) x ## y #define Func(x) #x #define Fun(x) ##x // Not allowed #define Fn(x) x# // Not allowed #define Defn(x, y) # x ## y // Not allowed #define A()… Continue Reading 《产生式元编程》第三章 替换蓝染概念纤悉

衔引 原理毕，复用续。历观编程概念，避及重复，提其不变，于迭代与递归为甚。产生式元编程，乃欲自动产生百千代码，迭代递归，自是重要组件，不可不备。 本章以 FOR_EACH 为例，渐次派生问题，引出技术要点，实现强大组件。 迭代 FOR_EACH 用来迭代数据集合，依次取出数据，后调用函数处理。参数易定，一个回调函数加上可变参数。代码表示： #define FOR_EACH(call, …) // Invoke FOR_EACH(Foo, 1, 2, 3) 实现需逐个取出可变宏参数，调用 Foo() 处理。上章已讲解重载之实现法，此乃条件逻辑在宏中的表示法。无循环时，递归思想便是拆解参数包的唯一方式，将重载实现法与递归思想结合起来，即可达逐个取参数之效。 遂可如此表示： #define _FOR_EACH_1(call, x) call(x) #define _FOR_EACH_2(call, x, …) call(x) _FOR_EACH_1(call, __VA_ARGS__) #define _FOR_EACH_3(call, x, …) call(x) _FOR_EACH_2(call, __VA_ARGS__) #define _FOR_EACH_4(call, x, …) call(x) _FOR_EACH_3(call, __VA_ARGS__) #define _FOR_EACH_5(call, x, …)… Continue Reading 《产生式元编程》第二章 自复用代码生成技