从 Java 和 JavaScript 来学习 Haskell 和 Groovy(元编程)

metaProgramming

本篇文章的话题是元编程。首先来认识元编程,我在第一篇 《引子》 里面已经介绍:元编程,指的是在运行时改变“类”的定义,例如访问、增加或修改等等。一言以蔽之,就是“用程序来写程序”。在第二篇的 《类型系统》 里面已经借由继承和接口的实现,介绍了一些利用元编程特性来增加或改变子类行为的方法。回顾语言发展的长河,其实是经历了一个从“对象 -> 类 -> 元类”到“对象 -> 原型”的发展过程的。所以,无论是类,还是元类,这样的概念其实都不是非有不可的,只是因为我们思考的习惯,特别是抽象的习惯而顺其自然地产生了。这一点我在 《编程范型:工具的选择》 里面已经详细描述了,建议在往下阅读前移步。

 

正式介入元编程的部分,先来看看 Java,它的方式比较原始,也比较清晰,本身它定义了 Class、Method、Field 等等描述一个类的基本概念,基于静态语言的限制,没有办法真正在运行时改变一个类内部的结构(但是可以在运行时获取一个类内部的结构),于是有了像 CGLib 这样在运行时使用动态代理,创建一个类来替代的办法,让使用者看起来好像是改变了原始类的结构。当然,在编译期,像 AspectJ 这样的工具可以做到真正的“织入”逻辑,控制字节码的生成。对于 Java 的元编程本身而言,即便到今天,局限性很大,但是局限性并不意味着有用性,可以说如今元编程的应用已经铺天盖地,其中有这样两件事情大大加速了它元编程的发展:

  • 一是 JDK 5 的注解,虽说它和元编程本身没有直接的联系,但是它提供了一种便捷的代码修饰方式,也让对于既有代码的扩展变得方便而充满可能。比如像 Lombok 这样基于注解的类库,让一个类的扩展和完善非常容易。
  • 二是 Spring,无论是学 J2ME 还是 J2EE,Spring 都是值得去了解的,AOP 的概念老早就提了,但就是从它开始发扬光大的;IoC,把对象管理和拼装的逻辑反转到业务逻辑之外的容器上,这些实现都是需要通过对元编程的操纵来完成的。

 

再来看看 Haskell,把它和 Java 放在一起介绍,因为二者都是静态语言,改变类或者定义结构的事情只能寄期望于编译期完成。Haskell 的元编程并非核心内容,因此也更加初级,据我所知,基本上谈及 Haskell 的元编程,必谈 Template Haskell(TH)。我对 TH 的了解属于刚接触,对于进一步了解,需要知晓这样两个概念,抽象语法树(abstract syntax tree,AST),代码语法分析成功以后就会生成 AST,它包含的内容和代码本身是一致的。而 TH 的执行结果,也是生成一棵 AST。

接着要了解的概念是 QuasiQuotation,里面可以存放任何字符串,被视作一个表达式,允许程序员写自定义的结构片段(下面的中括号组合加上里面的竖线的这个结构 [| |])。比如(例子来自 这里):

silly :: QuasiQuoter
silly = QuasiQuoter { quoteExp = \_ -> [| "yeah!!!" |] }

这一篇 介绍 相对比较容易理解(里面还介绍了使用 reify 来自省)。比如 [d|head’ (x:_) = x|] 这样的表达式会被解析成为这样一棵 AST:[FunD head’ [Clause [InfixP (VarP x_1) GHC.Types.: WildP] (NormalB (VarE x_1)) []]]。

如果表达式里面还有 Quotation,就需要使用 $() 来区分,比如:

emptyShow :: Name -> Q [Dec]
emptyShow name = [d|instance Show $(conT name) where show _ = ""|]

无论是上面的哪一个,限制都还是太多了,主要的原因还是在于,它们是静态语言;因此要用元编程用得自如,必须深入学习一门动态语言。

 

来看 JavaScript。从静态语言的囚笼中解脱出来, JavaScript 的元编程的能力虽然强大,但是却很容易归纳:

  • 对对象的自省,对对象方法和属性的改变,这里的对象既包括普通的对象和方法实例,也包括 prototype 这个特殊成员;
  • eval 关键字。

其余那些元编程的特性,都是其他人或者说第三方基于以上元编程基本的能力给后加上去的。

对于第一条,其实可以用下面这个最简单的例子来概括:

function Func(){};
var func = new Func();

func.a = function(){
    console.log("a");
};
Func.b = function(){
    console.log("b");
};
Func.prototype.c = function(){
    console.log("c");
};

// instance
func.a();

// function
Func.b();

// prototype
func.c();

而对于第二条,还是用一个最简单的例子来说明,数据和代码等价的道理(还有一个关于模板引擎使用代码生成的例子 在这里):

var str = "{a:3, b:4}";
var obj = eval("(" + str + ")");
console.log(obj);

 

最后是 Groovy,把 Groovy 放在最后是因为它的 元编程特性太丰富了(下面的特性,如果要找例子都可以去这个官网的链接)。Java 的所有元编程能力全部保留,在之基础上,下面我有选择地介绍几条。

1、MethodMissing:这是一个我非常喜欢的特性,简言之就是当被调用方法不存在时,可以执行的自定义方法,想一想,这相当于为对象提供了一个重要的特性:default 行为。与 methodMissing 相对的,还有 propertyMissing。

class Foo {
   def methodMissing(String name, def args) {
        return "this is me"
   }
}
assert new Foo().someUnknownMethod(42l) == 'this is me'

2、GroovyInterceptable:这个特性是给方法调用增加一层拦截逻辑,换句话说,是 AOP 的一种实现,比如:

class SimplePOGO implements GroovyInterceptable {
    void targetMethod(){
        System.out.println("...")
    }

    def invokeMethod(String name, args){
        System.out.println("${name} is being called")

        //Get the method that was originally called.
        def calledMethod = SimplePOGO.metaClass.getMetaMethod(name, args)
        calledMethod?.invoke(this, args)
    }
}

simplePogo = new SimplePOGO()
simplePogo.targetMethod()

上面的例子调用 targetMethod,但是拦截逻辑放在 invokeMethod 里面。

3、Categories,这是个从 Objective C 搬过来的特性。这个怎么说呢,很像电脑游戏里面角色的隐藏技能,平时不具备,但是危急关头(使用 use 关键字)可以触发打开,等到危急结束(use 的代码块结束),技能又消失,恢复原状。

use(TimeCategory)  {
    println 1.minute.from.now
    println 10.hours.ago

    def someDate = new Date()
    println someDate - 3.months
}

4、Magic Package。“魔法包”?听起来就很牛的样子,对吧。如果我们遵循 magic package 的命名规约,我们可以创建自定义的元类(MetaClass):

groovy.runtime.metaclass.[package].[class]MetaClass

比如我们要改变 java.lang.String 的逻辑,那就实现一个 MetaClass,并且这个类的路径是:

groovy.runtime.metaclass.java.lang.StringMetaClass

BTW,Groovy 的 MetaClass 的一系列子类 能力很强,连 static method 之类的东西都可以改变。更多的元编程特性,去官网找就好了。

但是回过头来看一下,若论功能和特性的种类和纷繁程度,自然没得说,但是从语言设计的简洁性来说,JavaScript 这个老被说“有缺陷”的语言却可以甩 Groovy 几条街。这并非一个孰好孰坏的评判,正如同接口的设计一样,有人喜欢最简接口,有人喜欢人本接口。有的语言就是喜欢简洁,像我以前提过的 Io 语言 ,连关键字都省了;但是像 Perl 呢,却说:

There’s More Than One Way To Do It.

所以,程序员啊,开心最重要了。(-_-)~…

 

在下一篇,会比较一下这四位 DSL 的特性和能力。

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