メタプログラミング入門

introduction-to-metaprogramming.md

メタプログラミング入門

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lagénorhynque

(defprofile lagénorhynque
  :id           @lagenorhynque
  :reading      "/laʒenɔʁɛ̃k/"
  :aliases      ["カマイルカ🐬"]

  :languages    [Clojure Haskell English français]

  :interests    [programming language-learning law mathematics]

  :commits      ["github.com/lagenorhynque/duct.module.pedestal"
                 "github.com/lagenorhynque/duct.module.cambium"]
  :contributes  ["github.com/japan-clojurians/clojure-site-ja"])

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1. メタプログラミングという「魔術」

2. 「魔術」を使うべきか

3. 主な「魔術」の紹介

   • 🔥 未定/不存在のものを呼び出す
   • 🌿 既存の定義を変更する
   • 💧 構文を操作する

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メタプログラミングという

「魔術」

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メタプログラミング(metaprogramming)の定義(例)

『メタプログラミングRuby 第2版』では

メタプログラミングとは、

コードを記述するコードを記述することである。

※ ただし、(メタプログラミング的でない)プログラミングとメタプログラミングの境界はそもそも曖昧

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メタプログラミングの分類(例)

• 実行時メタプログラミング(or 動的メタプログラミング)
  • リフレクション(reflection)
  • メタクラス(metaclass)の操作
  • etc.
• コンパイル時メタプログラミング(or 静的メタプログラミング)
  • テンプレート(template)
  • マクロ(macro)
  • etc.

※ ただし、複数の処理フェーズに関わるメタプログラミング手法もある

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「魔術」を使うべきか

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典型的なメリット

• 利用側のコードの読み書きが簡単になる
• 困難/不可能を可能にする
  • 動的な定義の生成/変更
  • 評価の制御
  • etc.
• DSL (domain-specific language)の表現力が高まる
• パフォーマンスが改善する
  • コンパイル時に処理を済ませられる
  • etc.

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典型的なデメリット

• 定義側のコードの読み書きが難しくなる
• 機能制限が生じる
  • 静的解析との相性が悪くなる
  • ファーストクラスの構成要素と組み合わせづらくなる
  • etc.
• パフォーマンスが劣化する
  • 実行時のオーバーヘッドが増える
  • コンパイル時間が長くなる
  • etc.

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e.g. マクロを書く際の指針

Macro Club has two rules, plus one exception. The first rule of Macro Club is Don’t Write Macros. (...) The second rule of Macro Club is Write Macros If That Is the Only Way to Encapsulate a Pattern. (...) The exception to the rule is that you can write any macro that makes life easier for your callers when compared with an equivalent function.

Programming Clojure, Third Edition

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主な「魔術」の紹介

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🔥 未定/不存在のものを呼び出す

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Class, Methodクラスでのリフレクション (Java)

jshell> class Greeting {
   ...>     private String name;
   ...>     Greeting(String name) {
   ...>         this.name = name;
   ...>     }
   ...>     String hello() {
   ...>         return "Hello, " + name + "!";
   ...>     }
   ...>     private String bonjour() {
   ...>         return "Bonjour, " + name + " !";
   ...>     }
   ...> }
|  created class Greeting

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jshell> var g = new Greeting("lagénorhynque")
g ==> Greeting@377dca04

jshell> g.hello()
$3 ==> "Hello, lagénorhynque!"

jshell> g.bonjour()
|  Error:
|  bonjour() has private access in Greeting
|  g.bonjour()
|  ^-------^

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jshell> Greeting.class.getDeclaredMethods()
$4 ==> Method[2] { java.lang.String Greeting.hello(), private ja
va.lang.String Greeting.bonjour() }

jshell> var mHello = Greeting.class.getDeclaredMethod("hello")
mHello ==> java.lang.String Greeting.hello()

jshell> mHello.invoke(g)
$6 ==> "Hello, lagénorhynque!"

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jshell> var mBonjour = Greeting.class.getDeclaredMethod("bonjour
")
mBonjour ==> private java.lang.String Greeting.bonjour()

jshell> mBonjour.invoke(g)
|  Exception java.lang.IllegalAccessException: class REPL.$JShell$23 cannot access a member of class REPL.$JShell$11$Greeting with modifiers "private"
|        at Reflection.newIllegalAccessException (Reflection.java:385)
|        at AccessibleObject.checkAccess (AccessibleObject.java:693)
|        at Method.invoke (Method.java:556)
|        at (#10:1)

jshell> mBonjour.setAccessible(true)

jshell> mBonjour.invoke(g)
$12 ==> "Bonjour, lagénorhynque !"

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• 他言語での例

  • sendメソッド(Ruby)

  • getattr関数(Python)

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method_missingメソッド(Ruby)

irb(main):001:1* class Greeting
irb(main):002:2*   def initialize(name)
irb(main):003:2*     @name = name
irb(main):004:1*   end
irb(main):005:2*   def method_missing(m, *args)
irb(main):006:2*     "#{m.capitalize}, #{@name}!"
irb(main):007:1*   end
irb(main):008:1* end
=> :method_missing
irb(main):009:0> g = Greeting.new("lagénorhynque")
=> #<Greeting:0x00007fcb472e0198 @name="lagénorhynque">
irb(main):010:0> g.hello
=> "Hello, lagénorhynque!"
irb(main):011:0> g.bonjour
=> "Bonjour, lagénorhynque!"

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• 他言語での例
  • __getattr__メソッド(Python)

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🌿 既存の定義を変更する

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open class (Ruby)

irb(main):001:1* class String
irb(main):002:2*   def hello
irb(main):003:2*     "Hello, #{self}!"
irb(main):004:1*   end
irb(main):005:1* end
=> :hello
irb(main):006:0> "lagénorhynque".hello
=> "Hello, lagénorhynque!"

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refinements (Ruby)

irb(main):001:1* module Greeting
irb(main):002:2*   refine String do
irb(main):003:3*     def hello
irb(main):004:3*       "Hello, #{self}!"
irb(main):005:2*     end
irb(main):006:1*   end
irb(main):007:0> end
=> #<refinement:String@Greeting>

---

irb(main):008:1* module M
irb(main):009:1*   using Greeting
irb(main):010:2*   class << self
irb(main):011:3*     def f(name)
irb(main):012:3*       name.hello
irb(main):013:2*     end
irb(main):014:1*   end
irb(main):015:0> end
=> :f

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irb(main):016:0> M.f("lagénorhynque")
=> "Hello, lagénorhynque!"
irb(main):017:0> "lagénorhynque".hello
Traceback (most recent call last):
        4: from /Users/lagenorhynque/.rbenv/versions/3.0.0/bin/irb:23:in `<main>'
        3: from /Users/lagenorhynque/.rbenv/versions/3.0.0/bin/irb:23:in `load'
        2: from /Users/lagenorhynque/.rbenv/versions/3.0.0/lib/ruby/gems/3.0.0/gems/irb-1.3.0/exe/irb:11:in `<top (required)>'
        1: from (irb):17:in `<main>'
NoMethodError (undefined method `hello' for "lagénorhynque":String)

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• 他言語での例

  • prototype (JavaScript)

  • implicit class (Scala)

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特異メソッド(Ruby)

irb(main):001:0> name = "lagénorhynque"
=> "lagénorhynque"
irb(main):002:1* def name.hello
irb(main):003:1*   "Hello, #{self}!"
irb(main):004:1* end
=> :hello
irb(main):005:0> name.hello
=> "Hello, lagénorhynque!"
irb(main):006:0> "lagénorhynque".hello
Traceback (most recent call last):
        4: from /Users/lagenorhynque/.rbenv/versions/3.0.0/bin/irb:23:in `<main>'
        3: from /Users/lagenorhynque/.rbenv/versions/3.0.0/bin/irb:23:in `load'
        2: from /Users/lagenorhynque/.rbenv/versions/3.0.0/lib/ruby/gems/3.0.0/gems/irb-1.3.0/exe/irb:11:in `<top (required)>'
        1: from (irb):6:in `<main>'
NoMethodError (undefined method `hello' for "lagénorhynque":String)

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• 他言語での例

  • MethodTypeでのメソッド追加(Python)

  • プロパティの操作(JavaScript)

  • メタデータによるプロトコル拡張 (Clojure)

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💧 構文を操作する

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マクロ(Clojure)

user=> (defmacro unless [test & body]
         `(when (not ~test)
            ~@body))
#'user/unless

---

user=> (unless (= 1 2)
         (println "not equal"))
not equal
nil
user=> (unless (= 1 1)
         (println "not equal"))
nil

---

user=> (macroexpand-1
        '(unless (= 1 2)
           (println "not equal")))
(clojure.core/when (clojure.core/not (= 1 2)) (println "not equa
l"))

---

マクロ(Elixir)

iex(1)> defmodule M do
...(1)>   defmacro unless(test, do: body) do
...(1)>     quote do
...(1)>       if !unquote(test) do
...(1)>         unquote(body)
...(1)>       end
...(1)>     end
...(1)>   end
...(1)> end
{:module, M,
 <<70, 79, 82, 49, 0, 0, 5, 120, 66, 69, 65, 77, 65, 116, 85, 56, 0, 0, 0, 148,
   0, 0, 0, 17, 8, 69, 108, 105, 120, 105, 114, 46, 77, 8, 95, 95, 105, 110,
   102, 111, 95, 95, 10, 97, 116, 116, 114, ...>>, {:unless, 2}}

---

iex(2)> require M
M
iex(3)> M.unless 1 == 2 do
...(3)>   IO.puts "not equal"
...(3)> end
not equal
:ok
iex(4)> M.unless 1 == 1 do
...(4)>   IO.puts "not equal"
...(4)> end
nil

---

iex(5)> quote do
...(5)>   M.unless 1 == 1 do
...(5)>     IO.puts "not equal"
...(5)>   end
...(5)> end |> Macro.expand_once(__ENV__) |>
...(5)>   Macro.to_string |> IO.puts
if(!(1 == 1)) do
  IO.puts("not equal")
end
:ok

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• 他言語での例

  • マクロ

    • Rust
    • Julia

  • Template Haskell

  • Scalameta

  • MacroPy

  • Hy

  • Sweet.js

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• メタプログラミングを「魔術」のままにせず

  • 仕組みに対する理解を深めよう

  • 適切に恐れ、適切に活用しよう

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Further Reading

• 『実践プログラミングDSL』

• 『メタプログラミングRuby 第2版』

• Rubyの魔術 － ＠IT

• メタプログラミングPython

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