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# 38 | 元编程：一边写程序，一边写语言
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今天，我再带你讨论一个很有趣的话题：元编程。把这个话题放在这一篇的压轴位置，也暗示了这个话题的重要性。
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我估计很多同学会觉得元编程（Meta Programming）很神秘。编程，你不陌生，但什么是元编程呢？
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**元编程是这样一种技术：**你可以让计算机程序来操纵程序，也就是说，用程序修改或生成程序。另一种说法是，具有元编程能力的语言，能够把程序当做数据来处理，从而让程序产生程序。
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而元编程也有传统编程所不具备的好处：比如，可以用更简单的编码来实现某个功能，以及可以按需产生、完成某个功能的代码，从而让系统更有灵活性。
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**某种意义上，**元编程让程序员拥有了语言设计者的一些权力。是不是很酷？你甚至可以说，普通程序员自己写程序，文艺程序员让程序写程序。
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那么本节课，我会带你通过实际的例子，详细地来理解什么是元编程，然后探讨带有元编程能力的语言的特性，以及与编译技术的关系。通过这样的讨论，我希望你能理解元编程的思维，并利用编译技术和元编程的思维，提升自己的编程水平。
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## 从Lisp语言了解元编程
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说起元编程，追溯源头，应该追到Lisp语言。这门语言其实没有复杂的语法结构，仅有的语法结构就是一个个函数嵌套的调用，就像下面的表达式，其中“+”和“\*”也是函数，并不是其他语言中的操作符：
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(+ 2 (* 3 5)) //对2和3求和，这里+是一个函数，并不是操作符
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你会发现，如果解析Lisp语言形成AST，是特别简单的事情，基本上括号嵌套的结构，就是AST的树状结构（其实，你让Antlr打印输出AST的时候，它缺省就是按照Lisp的格式输出的，括号嵌套括号）。这也是Lisp容易支持元编程的根本原因，你实际上可以通过程序来生成，或修改AST。
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我采用了Common Lisp的一个实现，叫做SBCL。在macOS下，你可以用“brew install sbcl”来安装它；而在Windows平台，你需要到sbcl.org去下载安装。在命令行输入sbcl，就可以进入它的REPL，你可以试着输入刚才的代码运行一下。
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在Lisp中，你可以把(+ 2 (\* 3 5))看做一段代码，也可以看做是一个列表数据。所以，你可以生成这样一组数据，然后作为代码执行。**这就是Lisp的宏功能。**
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我们通过一个例子来看一下，宏跟普通的函数有什么不同。下面两段代码分别是用Java和Common Lisp写的，都是求一组数据的最大值。
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Java版本：
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public static int max(int[] numbers) {
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int rtn = numbers[0];
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for (int i = 1;i < numbers.length; i++){
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if (numbers[i] > rtn)
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rtn = numbers[i];
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}
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return rtn;
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}
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Common Lisp版本：
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(defun mymax1 (list)
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(let ((rtn (first list))) ;让rtn等于list的第一个元素
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(do ((i 1 (1+ i))) ;做一个循环，让i从1开始，每次加1
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((>= i (length list)) rtn) ;循环终止条件：i>=list的长度
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(when (> (nth i list) rtn) ;如果list的第i个元素 > rtn
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(setf rtn (nth i list)))))) ;让rtn等于list的第i个元素
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那么，如果写一个函数，去求一组数据的最小值，你该怎么做呢？采用普通的编程方法，你会重写一个函数，里面大部分代码都跟求最大值的代码一样，只是把其中的一个“>”改为"<"。
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这样的话，代码佷冗余。那么，能不能实现代码复用呢？这一点，用普通的编程方法是做不到的，你需要利用元编程技术。我们用Lisp的宏来实现一下：
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(defmacro maxmin(list pred)
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`(let ((rtn (first ,list)))
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(do ((i 1 (1+ i)))
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((>= i (length ,list)) rtn)
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(when (,pred (nth i ,list) rtn)
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(setf rtn (nth i ,list))))))
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(defun mymax2 (list)
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(maxmin list >))
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(defun mymin2 (list)
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(maxmin list <))
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```
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在宏中，到底使用“>” 还是使用“<”，是可以作为参数传入的。你可以看一下函数mymax2和mymin2的定义。这样，宏展开后，就形成了不同的代码。你可以敲入下面的命令，显示一下宏展开后的效果（跟我们前面定义的mymax1函数是完全一样的）。
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(macroexpand-1 '(maxmin list >))
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```
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在Lisp运行时，会先进行宏展开，然后再编译或解释执行所生成的代码。通过这个例子，你是否理解了“用程序写程序”的含义呢？这种元编程技术用好了以后，会让代码特别精简，产生很多神奇的效果。
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初步了解了元编程的含义之后，你可能会问，我们毕竟不熟悉Lisp语言，目前那些常见的语言有没有元编程机制呢？我们又该如何加以利用呢？
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## 不同语言的元编程机制
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首先，我们回到元编程的定义上来。比较狭义的定义认为，一门语言要像Lisp那样，要能够把程序当做数据来操作，这样才算是具备元编程的能力。
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但是，你学过编译原理就知道，在CPU眼里，程序本来就是数据。
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我们在[34讲](https://time.geekbang.org/column/article/164017)，曾经直接把二进制机器码放到内存，然后作为函数调用执行。有一位同学在评论区留言说，这看上去就是把程序当数据处理。在[32讲](https://time.geekbang.org/column/article/161944)中，我们也曾生成字节码，并动态加载进JVM中运行。这也是把程序当数据处理。
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实际上，整个课程，都是在把程序当做数据来处理。你先把文本形式的代码变成Token，再变成AST，然后是IR，最后是汇编代码和机器代码。所以，有的研究者认为，编写编译器、汇编器、解释器、链接器、加载器、调试器，实际上都是在做元编程的工作，你可以参考一下[这篇文章](https://cs.lmu.edu/~ray/notes/metaprogramming/)。
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**从这里，你应该得到一个启示：**学习汇编技术以后，你应该有更强的自信，去发掘你所采用的语言的元编程能力，从而去实现一些高级的功能。
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当然了，通常我们说某个语言的元编程能力，要求并不高，没必要都去实现一个编译器（当然，如果必须要实现，你还是能做到的），而是利用语言本身的特性来操纵程序。**这又分为两个级别：**
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* 如果一门语言写的程序，能够报告它自身的信息，这叫做自省（introspection）。
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* 如果能够再进一步，操纵它自身，那就更高级一些，这叫做反射（reflection）。
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那么你常见的语言，都具备哪些元编程能力呢？
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**1\. JavaScript**
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从代码的可操纵性来看，JavaScript是很灵活的，可以给高水平的程序员，留下充分发挥的空间。JavaScript的对象就跟一个字典差不多，你可以随时给它添加或修改某个属性，你也可以通过拼接字符串，形成一段JavaScript代码，然后再用eval()解释执行。JavaScript还提供了一个Reflect对象，帮你更方便地操纵对象。
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实际上，JavaScript被认为是继承了Lisp衣钵的几门语言之一，因为JavaScript的对象确实就是个可以随意修改的数据结构。这也难怪有人用JavaScript，实现了很多优秀的框架，比如React和Vue。
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**2\. Java**
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从元编程的定义来看，Java的反射机制就算是一种元编程机制。你可以查询一个对象的属性和方法，你也可以用程序按需生成对象和方法来处理某些问题。
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我们[32讲](https://time.geekbang.org/column/article/161944)中的字节码生成技术，也是Java可以采用的元编程技术。你再配合上注解机制或者配置文件，就能实现类似Spring的功能。可以说，Spring是采用了元编程技术的典范。
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**3\. Clojure**
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Clojure语言是在JVM上，运行的一个现代版本的Lisp语言，所以它也继承了Lisp的元编程机制。
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**4\. Ruby**
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喜欢Ruby语言的人很多，一个重要原因在于Ruby的元编程能力。而Ruby也声称自己继承了Lisp语言的精髓。其实，它的元编程能力表现在，能够在运行时，随时修改对象的属性和方法。虽然实现方式不一样，但原理和JavaScript其实是很像的。
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元编程技术使Ruby语言能够以很简单的方式快速实现功能，但因为Ruby过于动态，所以编译优化比较困难，性能比较差。Twitter最早是基于Ruby写的，但后来由于性能原因改成了Java。同样是动态性很强的语言，JavaScript在浏览器里使用普遍，厂商们做了大量的投入进行优化，因此，JavaScript在大部分情况下的性能，比Ruby高很多，有的[测试用例](https://benchmarksgame-team.pages.debian.net/benchmarksgame/fastest/node-yarv.html)会高50倍以上。所以近几年，Ruby的流行度在下降。**这也侧面说明了编译器后端技术的重要性。**
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**5\. C++语言**
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C++语言也有元编程功能，最主要的就是模板（Template）技术。
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C++标准库里的很多工具，都是用模板技术来写的，这部分功能叫做STL（Standard Template Library），其中常用的是vector、map、set这些集合类。**它们的特点是，**都能保存各种类型的数据。
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看上去像是Java的泛型，如vector< T >，但C++和Java的实现机制是非常不同的。我们在[35讲](https://time.geekbang.org/column/article/165078)中曾经提到Java的泛型，指出Java的泛型只是做了类型检查，实际上保存的都是Object对象的引用，List< Integer >和List< String >对应的字节码是相同的。
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C++的模板则不一样。它像Lisp的宏一样，能够在编译期展开，生成C++代码再编译。vector< double >和vector< long >所生成的源代码是不同的，编译后的目标代码，当然也是不同的。
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常见语言的元编程特性，你现在已经有所了解了。但是，关于是否应该用元编程的方法写程序，以及如何利用元编程方法，却存在一些争议。
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## 是否该使用元编程技术？
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我们看到，很多支持元编程技术的语言，都声称继承了Lisp的设计思想。Lisp语言也一致被认为是编程高手应该去使用的语言。可有一个悖论是，Lisp语言至今也还很小众。
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Lisp语言的倡导者之一，Paul Graham，在互联网发展的早期，曾经用Lisp编写了一个互联网软件Viaweb，后来被Yahoo收购。但Yahoo收购以后，就用C++重新改写了。**问题是：**如果Lisp这么优秀，为什么会被替换掉呢？
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**所以，一方面，**Lisp受到很多极客的推崇，比如自由软件的领袖Richard Stallman就是Lisp的倡导者，他写的Emacs编辑器就采用了Lisp来自动实现很多功能。
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**另一方面，**Lisp却没有成为被大多数程序员所接受的语言。这该怎么解释呢？难道普通程序员不聪明，以至于没有办法掌握宏？进一步说，我们应该怎样看待元编程这种酷炫的技术呢？该不该用Lisp的宏那样的机制来编程呢？
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程序员的圈子里，争论这个问题，争论了很多年。**我比较赞同的一个看法是这样的：**首先，像Lisp宏这样的元编程是很有用的，你可以用宏写出非常巧妙的库和框架，来给普通的程序员来用。但一个人写的宏对另外的人来说，确实是比较难懂、难维护的。从软件开发管理的角度看，难以维护的宏不是好事情。
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**所以，我的结论是：**
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首先，元编程还是比较高级的程序员的工作，就像比较高级的程序员才能写编译器一样。元编程其实比写编译器简单，但还是比一般的编程要难。
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第二，如果你要用到元编程技术，最好所提供的软件是容易学习、维护良好的，就像React、Vue和Spring那样。这样，其他程序员只需要使用就行了，不必承担维护的职责。
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**其实，我们学编译技术也是一样的。**你不能指望公司或者项目组的每个人，都用编译技术写一个DSL或者写一个工具。毕竟维护这样的代码有一定的门槛，使用这些工具的人也有一定的学习成本。我曾经看到社区里有工程师抱怨，某国外大的互联网公司里面DSL泛滥，新加入的成员学习成本很高。所以，一个DSL也好、一套类库也好，必须提供的价值远远大于学习成本，才能被广泛接受。
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为了降低使用者的学习成本，框架、工具的接口设计应该非常友好。**怎样才算是友好呢？**我们可以借鉴特定领域语言（DSL）的思路。
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## 发明自己的特定领域语言（DSL）
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框架和工具的设计者，为了解决某一个特定领域的问题，需要仔细设计自己的接口。好的接口设计是对领域问题的抽象，并通过这种抽象屏蔽了底层的技术细节。这跟上一讲我们提到语言设计的抽象原则是一样的。这样的面向领域的、设计良好的接口，很多情况下都表现为DSL，例如React的JSX、Spring的配置文件或注解。
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DSL既然叫做语言，那么就应该具备语言设计的特征：通过简单的上层语义，屏蔽下层的技术细节，降低认知成本。
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我很早以前就在BPM领域工作。像JBPM这样的开源软件，都提供了一个定义流程的模板，也就是DSL。**这种DSL的优点是：**你只需要了解与业务流程这个领域有关的知识，就可以定义一个流程，不需要知道流程实现的细节，学习成本很低。
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[15讲](https://time.geekbang.org/column/article/136557)的报表工具的例子，也提供了一个报表模板的参考设计，这也是一个DSL。使用这个DSL的人也不需要了解报表实现的细节，也是符合抽象原则的。
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**我们在日常工作中，还会发现很多这样的需求。**你会想，如果有一门专门干这个事情的DSL就好了。比如，前两年我参与过一个儿童教育项目，教师需要一些带有动画的课件。如果要让一个卡通人物动起来，动画设计人员需要做很多繁琐的工作。当时就想，如果有一个语言，能够驱动这些卡通人物，让它做什么动作就做什么动作，屏蔽底层的技术复杂性，那么那些老师们就可以自己做动画了，充分发挥自己的创造力，而不需要求助于专门的技术人员。
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当然，要实现这种DSL，有时候可以借助语言自带的元编程能力，就像React用JavaScript就能实现自己的DSL。但如果DSL的难度比较高，那还是要实现一个编译器，这可能就是终极的元编程技能了吧！
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## 课程小结
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本节课，我带你了解了元编程这个话题，并把它跟编译原理联系在一起，做了一些讨论。学习编译原理的人，某种意义上都是语言的设计者。而元编程，也是让程序员具有语言设计者的能力。所以，你可以利用自己关于编译的知识，来深入掌握自己所采用的语言的元编程能力。
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**我希望你能记住几个要点：**
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* 元编程是指用程序操纵程序的能力，也就是用程序修改或者生成程序。也有人用另外的表述方式，认为具有元编程能力的语言，能够把程序当做数据来处理，典型的代表是Lisp语言。
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* 编译技术的本质就是把程序当做数据处理，所以你可以用编译技术的视角考察各种语言是如何实现元编程的。
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* 采用元编程技术，要保证所实现的软件是容易学习、维护良好的。
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* 好的DSL能够抽象出领域的特点，不需要使用者关心下层的技术细节。DSL可以用元编程技术实现，也可以用我们本课程的编译技术实现。
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## 一课一思
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你之前了解过元编程技术吗？你曾经用元编程技术解决过什么问题呢？欢迎在留言区分享。
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最后，感谢你的阅读，如果这篇文章让你有所收获，也欢迎你将它分享给更多的朋友。
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