Julia 元编程

Julia 把自己的代码表示为语言中的数据结构,这样我们就可以编写操纵程序的程序。

元编程也可以简单理解为编写可以生成代码的代码。

元编程(英语:Metaprogramming),是指某类计算机程序的编写,这类计算机程序编写或者操纵其它程序(或者自身)作为它们的资料,或者在编译时完成部分本应在运行时完成的工作。多数情况下,与手工编写全部代码相比,程序员可以获得更高的工作效率,或者给与程序更大的灵活度去处理新的情形而无需重新编译。

编写元程序的语言称之为元语言。被操纵的程序的语言称之为”目标语言”。一门编程语言同时也是自身的元语言的能力称之为”反射”或者”自反”。

— 维基百科

Julia 源代码执行阶段

1、解析原始 Julia 代码: Julia 解析器首先将解析字符串以获得抽象语法树(AST),AST 是一种结构,它以易于操作的格式包含所有代码。

2、执行已解析的 Julia 代码:: 在这个阶段,执行已解析的 Julia 代码。

当我们在交互式编程环境(REPL)中输入代码并按回车键时,会执行以上两个阶段。

使用元编程工具,我们就可以访问这两个阶段之间的 Julia 代码,即在源代码解析之后,但在执行之前。

程序表示

Julia 提供了一个 Meta 类,其中可以用 Meta.parse(str) 来对一个字符串进行解析,用 typeof(e1) 返回 Expr:

实例

julia> prog = “1 + 1”
“1 + 1”
julia> ex1 = Meta.parse(prog)
:(1 + 1)

julia> typeof(ex1)
Expr

返回 :(1 + 1) , 这个返回的值由一个冒号和后面的表达式组成,用 typeof(ex1) 返回 Expr。

Expr 对象包含两个部分(ex1 包含了 head 和 args 属性):

一个标识表达式类型的符号对象。

实例

julia> ex1.head
:call

另一个是表达式的参数,可能是符号、其他表达式或字面量:

实例

julia> ex1.args
3-element Vector{Any}:
  :+
 1
 1

表达式也可能直接用 Expr 构造:

实例

julia> ex2 = Expr(:call, :+, 1, 1)
:(1 + 1)

上面构造的两个表达式:一个通过解析构造,一个通过直接构造,两个是等价的:

实例

julia> ex1 == ex2
true

Expr 对象也可以嵌套:

实例

julia> ex3 = Meta.parse(“(4 + 4) / 2”)
:((4 + 4) / 2)

我们也可以使用 Meta.show_sexpr 查看表达式,以下实例展示了嵌套的 Expr:

实例

julia> Meta.show_sexpr(ex3)
(:call, :/, (:call, :+, 4, 4), 2)

符号

我们可以通过冒号 : 前缀运算符存储一个未计算但已解析的表达式。

实例

julia> ABC = 100
100

julia> :ABC
:ABC

引用下面的整个表达式:

实例

julia> :(10050)
:(10050)

引用算数表达式:

实例

julia> ex = :(a+b*c+1)
:(a + b * c + 1)

julia> typeof(ex)
Expr

注意等价的表达式也可以使用 Meta.parse 或者直接用 Expr 构造:

实例

julia>      :(a + b*c + 1)       ==
       Meta.parse(“a + b*c + 1”) ==
       Expr(:call, :+, :a, Expr(:call, :*, :b, :c), 1)
true

引用多个表达式也可以在 quote … end 中包含代码块。

实例

julia> ex = quote
           x = 1
           y = 2
           x + y
       end
quote
    #= none:2 =#
    x = 1
    #= none:3 =#
    y = 2
    #= none:4 =#
    x + y
end

julia> typeof(ex)
Expr

执行表达式

表达式解析后,我们可以使用 eval() 函数来执行:

实例

julia> ex1 = :(1 + 2)
:(1 + 2)

julia> eval(ex1)
3

julia> ex = :(a + b)
:(a + b)

julia> eval(ex)
ERROR: UndefVarError: b not defined
[]

julia> a = 1; b = 2;

julia> eval(ex)
3

抽象语法树 (AST)

抽象语法树 (AST) 是一种结构,是源代码语法结构的一种抽象表示。

它以树状的形式表现编程语言的语法结构,树上的每个节点都表示源代码中的一种结构。

我们可以在 dump() 函数查看表达式的层次结构:

实例

julia> dump(:(1 * cos(pi/2)))
Expr
   head: Symbol call
   args: Array{Any}((3,))
      1: Symbol *
      2: Int64 1
      3: Expr
         head: Symbol call
         args: Array{Any}((2,))
            1: Symbol cos
            2: Expr
               head: Symbol call
               args: Array{Any}((3,))
                  1: Symbol /
                  2: Symbol pi
                  3: Int64 2

插值

使用值参数直接构造 Expr 对象虽然很强大,但与 Julia 语法相比,Expr 构造函数可能让人觉得乏味。作为替代方法,Julia 允许将字面量或表达式插入到被引用的表达式中。表达式插值由前缀 $ 表示。

在此示例中,插入了变量 a 的值:

实例

julia> a = 1;

julia> ex = :($a + b)
:(1 + b)

对未被引用的表达式进行插值是不支持的,这会导致编译期错误:

julia> $a + b
ERROR: syntax: "$" expression outside quote

在此示例中,元组 (1,2,3) 作为表达式插入到条件测试中:

julia> ex = :(a in $:((1,2,3)) )
:(a in (1, 2, 3))

在表达式插值中使用 $ 是有意让人联想到字符串插值和命令插值。表达式插值使得复杂 Julia 表达式的程序化构造变得方便和易读。

宏提供了一种机制,可以将生成的代码包含在程序的最终主体中。 宏将一组参数映射到返回的 表达式,并且生成的表达式被直接编译,而不需要运行时 eval 调用。 宏参数可能包括表达式、字面量和符号。

这是一个非常简单的宏:

实例

julia> macro sayhello()
           return :( println(“Hello, world!”) )
       end
@sayhello (macro with 1 method)

宏在Julia的语法中有一个专门的字符 @ (at-sign),紧接着是其使用 macro NAME … end 形式来声明的唯一的宏名。在这个例子中,编译器会把所有的 @sayhello 替换成:

:( println("Hello, world!") )

当 @sayhello 在REPL中被输入时,解释器立即执行,因此我们只会看到计算后的结果:

julia> @sayhello()
Hello, world!

现在,考虑一个稍微复杂一点的宏:

实例

julia> macro sayhello(name)
 return :( println(“Hello, “, $name) )
 end
@sayhello (macro with 1 method)

这个宏接受一个参数 name。当遇到 @sayhello 时,quoted 表达式会被展开并将参数中的值插入到最终的表达式中:

实例

julia> @sayhello(“human”)
Hello, human

我们可以使用函数 macroexpand 查看引用的返回表达式:

实例

julia> ex = macroexpand(Main, :(@sayhello(“human”)) )
:(Main.println(“Hello, “, “human”))

julia> typeof(ex)
Expr

我们可以看到 “human” 字面量已被插入到表达式中了。

还有一个宏 @ macroexpand,它可能比 macroexpand 函数更方便:

实例

julia> @macroexpand @sayhello “human”
:(println(“Hello, “, “human”))

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