Մետածրագրավորում

Մետածրագրավորում-ը ծրագրավորման տեխնիկա է, որի կիրառման դեպքում ծրագիրն ինքը կարող է աշխատանքի ընթացքում կարդալ, գեներացնել, ստուգել կամ փոփոխել մեկ այլ ծրագրի կամ հենց ինքն իր կառուցվածքը (կոդը)։ Շատ դեպքերում սա ծրագրավորողին օգնում է կրճատել կոդի տողերի քանակը և ծրագրավորման ժամանակը։ Այս ամենից բացի ծրագրերը դառնում են ավելի ճկուն և հարմարվում են նոր փոփոխությունների առանց նորից կոմպիլացվելու։

Մետածրագրավորման ձևերից մեկն է կաղապարների (template) միջոցով մետածրագրավորումը, երբ կաղապարներն օգտագործվում են կոմպիլիացիայի ժամանակ որևէ գործ կատարելու նպատակով։ Այս տեխնիկան օգտագործվում է հիմնականում C++, Curl, D, և XL լեզուներում, ինչպես նաև Lisp–ում՝ մակրոների միջոցով։

Մոտեցումներ

Մետածրագրավորումը հնարավորություն է տալիս գրել ծրագրեր կամ մշակել կոդ ընդհանուր ծրագրավորման պարադիգմի համատեքստում։

C++ կաղապարներ

C++ լեզուն հնարավորություն է տալիս գրել ընդհանրացված մեթոդ կամ դաս՝ առանց նշելու, թե որ տիպերի համար պետք է այն աշխատի։ Հետագայում, օգտագործելով այդ մեթոդը կամ դասը որևէ տիպի համար, կոմպիլիատորը գեներացնում է տվյալ կաղապարի համապատասխան կոդը՝ արդեն կոնկրետ նշված տիպի համար։ Հաշվի առնելով այն փաստը, որ կաղապարի կոդի գեներացիան կատարվում է կոմպիլիացիայի ժամանակ, հնարավորություն է ստեղծվում կաղապարների օգտագործմամբ հաշվել տարբեր արժեքներ կամ կատարել տարբեր խնդիրներ՝ առանց ծրագրի կատարման ընթացում ժամանակ կորցնելու։

Կաղապարի օրինակ՝

template <typename T>
inline T const& max (T const& a, T const& b) {
  // եթե a < b, վերադարձնում է b, հակառակ դեպքում a: 
  return a < b ? b : a;
}

Տվյալ կաղապարային ֆունկցիան վերադարձնում է ստացված երկու արժեքներից մեծագույնը։ typename֊ը տեղեկացնում է կոմպիլիատորին, որ T֊ն տիպ է։ max ֆունկացիան որևէ տիպի համար օգտագործելու դեպքում T–ն կփոխարինվի համապատասխան տիպով և կգեներացվի տվյալ ֆունկցիային համապատասխան կոդը հենց այդ տիպի համար։ Սակայն max ֆունկացիան կանչելու դեպքում այն կաշխատի ծրագրի կատարման ընթացքում, իսկ մետածրագրավորում իրականացնելու համար մեզ անհրաժեշտ է հաշվել արժեքներ ոչ թե ծրագրի կատարման ընթացքում, այլ կոմպիլիացիայի ժամանակ, դրանով իսկ դարձնելով ծրագրի աշխատանքը ավելի արագ։

Ֆակտորիալի օրինակը

Կաղապարներով մետածրագրավորման օրինակ կարող է հանդիսանալ թվի ֆակտորիալի հաշվման ծրագիրը։ Թվի ֆակտորիալը կաղապարների միջոցով հաշվելը հնարավորություն է տալիս արդյունքը ստանալ կոմպիլիացիայի ժամանակ։ Վերը բերված max ֆունկցիայի օրինակով հնարավոր չէ հասնել պահանջվող արդյունքին։ Անհրաժեշտ է ֆակտորիալ հաշվող ֆունկցիայում ունենալ ռեկուրսիվ կանչ։

template <int N> 
struct Factorial {
  enum { value = N * Factorial<N - 1>::value };
};

template <> 
struct Factorial<0> {
  enum { value = 1 };
};

void foo() {
  int x = Factorial<0>::value; // == 1
  int y = Factorial<4>::value; // == 24
}

Այստեղ կոմպիլյատորը կաղապար գեներացնելու փոխարեն նախ հաշվում է value֊ի արժեքը։ value֊ի 0 արժեքի համար գրված է մեկ այլ կաղապար (Factorial–ի մասնավոր դեպք), որպես ռեկուրսիայի բազա։ enum֊ի օգտագործումը հնարավորություն է տալիս ունենալ կոմպիլիացիայի ժամանակ հաշվարկվող արժեք։ Այս եղանակով x֊ի և y֊ի արժեքները հայտնի են դառնում արդեն ծրագրի կատարվելու պահին՝ առանց որևէ ժամանակային կորուստների։

C++11–ը մեզ հնարավորություն է տալիս անել նույնը առանց կաղապարներից օգտվելու, որը իրականացվում է constexpr–ի միջոցով։ constexpr–ը իրենից ներկայացնում է արտահայտություն, որի արժեքը հայտնի է կոմպիլյացիայի ժամանակ, կամ ֆունկցիա՝ որի վերադարձրած արժեքը հայտնի է կոմպիլյացիայի ժամանակ։

#include <iostream>
 
constexpr int factorial(int n) 
{
  return n ? (n * factorial(n - 1)) : 1;
}

int main() 
{
  constexpr int fact = factorial(10000);
  std::cout << fact << std::endl;
  return 0;
}

STL կոնտեյները

Ստանդարտ Կաղապարային Գրադարանը տարբերի խնդիրներ լուծելու համար ապահովում է մեծ թվով տվյալների կառուցվածքներ։ Այդ թվում նաև vector, set, list, map, queue և այլ կոնտեյներները։ Բոլոր տվյալների կառուցվածքները կաղապարային դասեր են։ Օրինակ, ամբողջ թվերի vector ստեղծելու համար պետք է նշել կաղապարային պարամետրը (տվյալ դեպքում՝ int)։

std::vector<int> v(10);
for( int j = 0; j < 10; j++ ) 
  v[j] = j * j;

Այս դեպքում կկառուցվի առաջին 10 ամբողջ թվերի քառակուսիները պարունակող vector օբյեկտը։