Метапрограммирование — вид программирования, связанный с созданием программ, которые порождают другие программы как результат своей работы (в частности, на стадии компиляции их исходного кода), либо программ, которые меняют себя во время выполнения (самомодифицирующийся код).^{[источник не указан 1144 дня]} 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 создается автоматически программой-генератором на основе другой, более простой программы.

Такой подход приобретает смысл, если при программировании вырабатываются различные дополнительные правила (более высокоуровневые парадигмы, выполнение требований внешних библиотек, стереотипные методы реализации определенных функций и пр.). При этом часть кода 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.

Реализуется двумя основными методами:

• Шаблоны (наиболее известные случаи применения — препроцессор Си и шаблоны в C++)

Решают задачу, если соблюдение «правил» сводится к вставке в программу повторяющихся (или почти повторяющихся) кусков кода. Помимо этого, обладают еще рядом достоинств: например, помогают повторному использованию. См. также параметрический полиморфизм

• Внеязыковые средства (пример: генераторы синтаксических и лексических анализаторов lex, yacc, bison)

Применяются в случаях, если простых средств вроде шаблонов недостаточно. Язык генератора составляется так, чтобы автоматически или с минимальными усилиями со стороны программиста реализовывать правила парадигмы или необходимые специальные функции. Фактически, это — более высокоуровневый язык программирования, а генератор — не что иное, как транслятор. Генераторы пишутся, как правило, для создания специализированных программ, в которых очень значительная часть стереотипна, либо для реализации сложных парадигм.

• 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.^[1]
• В Forth программисту предоставляют встроенные в язык возможности по изменению своего синтаксиса и семантики. Это достигается определением архитектуры виртуальной машины и полного доступа 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:

• Интроспекция — представление внутренних структур языка в виде переменных встроенных типов с возможностью доступа к ним из программы.

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 Forth 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, например eval() в PHP.
  • Компилятор Tiny C позволяет «на лету» компилировать и исполнять код на языке C, представленный в виде строки символов.
  • Для Forth использования процедуры интерпретации из строки EVALUATE.

Хороший задел компиляции программы при загрузке, сравнимый с С, демонстрируют удачные реализации Forth языка. Например российский spf4 в тестах сравнения с Си.^[2]

Примечания