A C++ template metaprogramozás és a funkcionális programozás kapcsolata

Átírás

1 A C++ template metaprogramozás és a funkcionális programozás kapcsolata Doktori értekezés tézisei 2013 Sinkovics Ábel abel@elte.hu Témavezető: Porkoláb Zoltán, egyetemi docens Eötvös Loránd Tudományegyetem, Informatika kar, 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/C ELTE IK Doktori Iskola Doktori program: Az informatika alapjai és módszertana Az iskola vezetője: Dr. Benczúr András akadémikus A doktori program vezetője: Dr. Demetrovics János akadémikus

2 A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg (a támogatás száma TAMOP /B-09/1/KMR ). 2

3 1. Bevezetés A dolgozat C++ template metaprogramozást segítő módszereket mutat be, melyek a C++ könyvtárak és alkalmazások fejlesztőit támogatják. A dolgozat azon fejlesztők számára készült, akik már ismerik a C++ programozási nyelvet ben Erwin Unruh bemutatta [32], hogy lehetséges egy C++ fordító segítségével, template példányosítások mellékhatásaként algoritmusokat végrehajtani. Az ezen a módszeren alapuló programokat C++ template metaprogramok nak hívják. Ezek egy Turing-teljes résznyelvét alkotják a C++-nak [35]. A metaprogramokat a fejlesztők többsége nem közvetlenül használja, hanem metaprogramokon alapuló könyvtárakon keresztül. Mivel a template metaprogramok fordítási időben kerülnek végrehajtásra, segítségükkel a C++ nyelvnek számos kiterjesztését meg lehet valósítani a fordító módosítása nélkül. Speciális alkalmazási területet (adatbázis elérés, reguláris kifejezések, stb.) támogató C++ könyvtárak számára hasznos ha az alkalmazási területtel kapcsolatos hibákat (adatbázis mezőinek típusaival kapcsolatos hibák, hibás reguláris kifejezések, stb.) már fordítási időben jelezni lehet. Template metaprogramok segítségével megvalósíthatók ilyen ellenőrzések [7]. A domén specifikus nyelvek (DSL) [6] egyre népszerűbbek. Ezek egyszerű nyelvek, melyeket egy adott terület számára fejlesztettek ki. Azon a területen hatékonyabbak, mint más nyelvek, viszont más területeken használhatatlanok. Vannak széles körben ismert és használt domén specifikus nyelvek, mint például az SQL vagy a reguláris kifejezések. Ezeket a nyelveket egy (vagy több) általános célú programozási nyelvvel együtt szokták használni. A DSL által lefedett területre specifikus részeit a programnak a DSL-ben, a többi részt pedig az általános célú nyelven szokták megírni. Amikor a DSL-ben írt kódrészleteket beágyazzák az általános célú nyelven írt kódba, beágyazott DSL-ekről (EDSL) beszélünk. Template metaprogramok segítségével DSL-ek hatékonyan beágyazhatók a C++ nyelvbe [27]. A fejlesztők gyakran kénytelenek ismétlődő, csupán kevés részletben különböző kódot írni. Az esetek többségében ezeket a kódrészleteket meglévő kód másolásával és módosításával készítik el. Template metaprogramok használatával elérhető, hogy a C++ fordító generálja ezeket a kódrészleteket [1]. 2

4 A C++ fordítók optimalizálják a kódot, hogy gyorsabban fusson vagy kevesebb memóriát használjon. Azonban a fordító csak olyan optimalizációkat hajthat végre, melyek a kód működését nem változtatják meg. Sok esetben ennél hatékonyabb optimalizációkat is el lehet végezni azon alkalmazási területnek és annak szabályszerűségeinek ismeretében, mely számára a program készült. Ezeket a fordító nem ismeri, azonban ezek a optimalizációk template metaprogramok segítségével megvalósíthatók [34, 36, 33]. Amikor új elemek kerülnek a C++ nyelvbe vagy amikor valaki ki szeretne próbálni egy újonnal kitalált nyelvi elemet, a fordítót módosítani kell, hogy támogassa azt. Ez azonban sokszor nehézkes vagy nem is lehetséges. Ellenben template metaprogramok segítségével számos nyelvi elemet lehet szimulálni [37]. A C++ template metaprogramok megvalósíthatók szabványos C++ kóddal, így minden fordító, mely a szabványt követi képes értelmezni és végrehajtani őket. 2. Célkitűzések A C++ nyelv fejlesztése során nem volt cél a template metaprogramozás támogatása. Ennek eredményeképpen a metaprogramok szintaxisa bonyolult lett. Metaprogramokat nehéz olvasni, írni és karbantartani. A C++ template metaprogramozás és a funkcionális paradigma kapcsolata jól ismert [13, 3, 14, 5, 16, 30, 8, 9]. Számos hasonlóság van a C++ template metaprogramozás és a funkcionális nyelvek, mint például a Haskell logikája között. Futási időben végrehajtott C++ kód készítéséhez vannak könyvtárak, melyek a funkcionális programozást támogatják [12, 4], viszont template metaprogramozásban a jelenleg használt módszerek [1, 10, 2] az imperatív nyelveket és könyvtárakat szimulálják. A dolgozat megvizsgálja, hogy a template metaprogramok olvashatóságát milyen módon lehet a funkcionális paradigma mentén javítani. A dolgozat két módszert tárgyal. Az egyik módszer a jelenleg használt eszközöket és módszereket bővíti funkcionális nyelvekben gyakori elemekkel. Többek között bevezeti az algebrai adattípusokat, let kifejezéseket, mintaillesztést, a curry-zés és a typeclass fogalmát. Bemutatja továbbá, hogy hogyan lehet implementálni a monádokat, melyek segítségével megvalósítható a list comprehension, illetve szimulálható a kivételkezelés. 3

5 A másik módszer egy Haskell-szerű DSL-t valósít meg a template metaprogramozás számára. Az ezen a nyelven írt metaprogramokat karakterlánc literálokban lehet C++ kódba ágyazni. A C++ kód fordításakor ezek metaprogramokká lesznek alakítva és rögtön végrehajtásra kerülnek. Ennek megvalósításához a dolgozat bemutatja, miként lehet karakterlánc literálokat template metaprogramokkal feldolgozni. Ez lehetővé teszi a DSL-ek hatékony beágyazását C++-ba, melyre a dolgozat alkalmazási példákat mutat be. 3. Eredmények Annak ellenére, hogy a template metaprogramozás és a funkcionális paradigma hasonlóságai ismertek, a gyakorlatban használt metaprogramokat nem a funkcionális paradigma mentén készítik. Ez a dolgozat két módszert mutat be, melyek template metaprogramoknak a funkcionális paradigma alapján történő fejlesztését támogatják. A bemutatott módszerek a C++11 szabványt használják, bármely szabványos fordítóval használhatók. Egyikük sem igényel további eszközöket. Az 1. ábra bemutatja a dolgozat logikai szerkezetét. A felhő jelöli a dolgozat alapgondolatát, a lekerekített sarkú téglalapok a tézisek. A fejezetek számai, melyekben egy adott téma ki van fejtve kis téglalapokban vannak az ábrán felüntetve. A vastag szürke keretes téglalapok jelölik az adott módszerek használatából származó előnyöket. Az első módszer funkcionális nyelvek alapvető elemeit valósítja meg template metaprogramozásban, majd ezekre alapozva magasabb szintű elemeket épít. A bevezetett elemek mind a széles körben használt Boost.MPL könyvtárra épülnek, ezért bármely programban könnyen bevezethetők, mely ezt a könyvtárat már használja. 1. Tézis: Megvizsgáltam a C++ template metaprogramozás és a funkcionális programozási nyelvek kapcsolatát. Az eredmények alapján kidolgoztam módszereket, melyek a funkcionális paradigmát követő fejlszetőket segítik template metaprogramok írásában. (III. fejezet) 1.1. Tézis: Megmutattam a lusta kiértékelés jelentőségét a template metaprogramozásban és kidolgoztam egy módszert, melynek segítségével lusta kiértékelést nem támogató metafüggvényeket is lehet olyan módon használni, mintha támogatnák azt. (III.1. fejezet) 1.2. Tézis: Kidolgoztam egy módszert a curry-zés hatékony megvalósítására C++ template metaprogramozásban. (III.2. fejezet) 1.3. Tézis: Kidolgoztam egy módszert a Haskell nyelvben használthoz hasonló algebrai adattípusok megvalósítására C++ template metaprogramozásban. (III.3. fejezet) 4

6 1. ábra. A dolgozat szerkezete 5

7 1.4. Tézis: Kidolgoztam egy módszert Haskell typeclass-ok megvalósítására C++ template metaprogramozásban. (III.4. fejezet) 1.5. Tézis: Kidolgoztam egy módszert, melynek segítségével template metaprogramozásbeli kifejezéseket lehet tárolni, paraméterként átadni vagy függvényhívás eredményeként visszaadni. Ez a módszer lehetővé teszi let kifejezések megvalósítását és ad egy a Boost.MPL által biztosított és széles körben használtnál hatékonyabb módszert lambda kifejezések megvalósítására. (III.5. fejezet) 1.6. Tézis: Kidolgoztam egy új módszert a mintaillesztés megvalósítására C++ template metaprogramozásban, mely lehetővé teszi case kifejezések használatát. (III.6. fejezet) A dolgozat bemutatja, hogy az 1. Tézisben bemutatott módszer alapján hogyan valósítható meg egy funkcionális nyelvekben gyakori absztrakció, a monádok és egy Haskell által biztosított szintaktikai egyszerűsítés, a do notation. Ennek felhasználásával számos hasznos eszköz készíthető. Template metaprogramozásban biztosítani lehet a list comprehension nevű módszert, mely egyszerűbbé és olvashatóbbá teszi a listákon végzett műveleteket. A monádok egyszerűsítik a template metaprogramok végrehajtása során fellépő hibák kezelését. A dolgozat bemutatja, hogyan lehet template metaprogramozásban szimulálni a kivételkezelést. 2. Tézis: Kidolgoztam egy módszert monádok és egy a Haskell által biztosítotthoz hasonló do notation megvalósítására template metaprogramozásban. Megvizsgáltam számos, Haskellben elérhető monád variációról, hogy ezzel a módszerrel hogyan valósítható meg C++ template metaprogramozásban. Kidolgoztam egy módszert a kivételkezelés szimulálására C++ template metaprogramozásban. (IV. fejezet) 2.1. Tézis: Kidolgoztam egy módszert a monádok megvalósítására C++ template metaprogramozásban. (IV.1. fejezet) 2.2. Tézis: Megvizsgáltam számos Haskellben elérhető monádról, hogy a 2.1. Tézisben bemutatott módszerrel miként lehet őket implementálni. (IV.2. fejezet) 2.3. Tézis: Kidolgoztam egy módszert a do notation megvalósítására template metaprogramozásban, mely a Haskell által biztosítotthoz hasonló. (IV.3. fejezet) 2.4. Tézis: Kidolgoztam egy monádokon alapuló módszert a kivételkezelés szimulálására C++ template metaprogramozásban. (IV.4. fejezet) 6

8 A dolgozat bemutat két különböző módszert a template metaprogramok olvashatóságának javítására a funkcionális paradigmával való kapcsolat felhasználásával. Az első két tézis a meglévő eszközöket és módszereket terjeszti ki funkcionális nyelvekben gyakran használt elemekkel. A harmadik tézis mutatja be a másik módszert, mely karakterlánc literálokban szereplő kódrészletek értelmezésén alapszik és ennek segítségével egy interpretert valósít meg, mely template metaprogramokat hajt végre. Egy beágyazott kódrészlet értelmezése és végrehajtása ugyanabban a fordítási lépésben történik meg, mely lehetővé teszi egy Haskell-szerű szintaxis biztosítását template metaprogramok számára. 3. Tézis: Kidolgoztam egy módszert parser-eket generáló könyvtárak megvalósítására C++ template metaprogramozásban. Megvizsgáltam, hogy ez miként használható domén specifikus nyelvek C++ nyelvbe ágyazására, illetve template metaprogramok számára egy jobban olvasható szintaxis biztosítására. Ezen módszerek egyike sem igényel külső előfordítót. (V. fejezet) 3.1. Tézis: Kidogloztam egy módszert karakterlánc literálok C++ template metaprogramokkal feldolgozható karakter konténerekké történő átalakítására. Erre alapozva kidolgoztam egy módszert parser-eket generáló könyvtárak megvalósítására C++ template metaprogramozásban. (V.1. fejezet) 3.2. Tézis: Megvizsgáltam, hogy a 3.1. Tézisben bemutatott módszerrel hogyan lehet domén specifikus nyelveket külső eszközök nélkül beágyazni a C++ nyelvbe. (V.2. fejezet) 3.3. Tézis: Megvizsgáltam, hogy a 3.1. Tézisben bemutatott módszerrel hogyan lehet egy a Haskell nyelvre hasonlító szintaxist biztosítani template metaprogramokhoz külső előfordító használata nélkül. (V.3. fejezet) 4. Összegzés A dolgozat két, a funkcionális paradigmán alapuló módszert mutat be a C++ template metaprogramok olvashatóságának és karbantarthatóságának javítására. Az egyik módszer természetes kiterjesztése a gyakorlatban használt módszereknek és eszközöknek, míg a másik egyszerű szintaxist biztosít a metaprogramok számára. A bemutatott módszerek egy nyílt forrású könyvtár gyűjteményben [21] implementálásra kerültek, mely letölthető és a módszerek nyújtotta előnyök kihasználhatók. A 2. táblázat a Cloc [15] eszköz segítségével készült és a könyvtárak, azok teszjei továbbá a kapcsolódó példák kódjaiban, illetve a dokumentációban szereplő sorok számát mutatja. Az eredmények illetve a könyvtárak be lettek mutatva a C++/Boost közösségnek. Az előadás Best Presentation díjat nyert a C++Now konferencián 2012-ben Aspenben. 7

9 1. táblázat. Kapcsolódó publikációk [17] [18] [19] [20] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [31] Hivatkozások 2. táblázat. Sorok száma az Mpllibs kódjában Language files blank comment code HTML C/C++ Header C CMake CSS YAML [1] Abrahams, D., and Gurtovoy, A. C++ Template Metaprogramming: Concepts, Tools, and Techniques from Boost and Beyond (C++ in Depth Series). Addison-Wesley Professional, ISBN: [2] Alexandrescu, A. Modern C++ design: generic programming and design patterns applied. Addison-Wesley Longman Publishing Co., Inc., Boston, MA, USA, ISBN: [3] Caro, M. Haskell to c++ template metaprogramming translator, [4] de Guzman, J., Marsden, D., and Heller, T. Boost.phoenix,

10 [5] Érdi, G. Haskell to c++ template metaprogramming translator, [6] Fowler, M. Domain-specific Languages. Addison-Wesley, ISBN: [7] Gil, J. Y., and Lenz, K. Simple and safe sql queries with c++ templates. Sci. Comput. Program. 75 (July 2010), [8] Golodetz, S. Functional programming using c++ templates (part 1). Overload, 81 (October 2007). [9] Golodetz, S. Functional programming using c++ templates (part 2). Overload, 82 (December 2007). [10] Gurtovoy, A., and Abrahams, D. Boost.mpl, [11] Horváth, Z., Plasmeijer, R., and Zsók, V., Eds. Central European Functional Programming School - Third Summer School, CEFP 2009, Budapest, Hungary, May 21-23, 2009 and Komárno, Slovakia, May 25-30, 2009, Revised Selected Lectures (2010), vol of Lecture Notes in Computer Science, Springer. [12] McNamara, B., and Smaragdakis, Y. Functional programming in c++ using the fc++ library. SIGPLAN Notices 36, 4 (2001), [13] Milewski, B. What does haskell have to do with c++?, [14] Muñoz, J. M. L. Monads in c++ template metaprogramming, [15] Northrop Grumman Corporation. Cloc- count lines of code, [16] Porkoláb, Z. Functional programming with c++ template metaprograms. In Horváth et al. [11], pp

11 [17] Porkoláb, Z., and Sinkovics, Á. Domain-specific language integration with compile-time parser generator library. In Generative Programming And Component Engineering, Proceedings of the Ninth International Conference on Generative Programming and Component Engineering, GPCE 2010, Eindhoven, The Netherlands, October 10-13, 2010 (2010), E. Visser and J. Järvi, Eds., ACM, pp [18] Porkoláb, Z., Sinkovics, Á., and Siroki, I. Dsl in c++ template metaprogram, tutorial, TemplateMetaprogramming.pdf. [19] Sinkovics, Á. Functionalextensionstotheboostmetaprogramlibrary. In WGT 10 (2010), Z. Porkoláb and N. Pataki, Eds., vol. II of WGT Proceedings, Zolix, pp [20] Sinkovics, Á. Functionalextensionstotheboostmetaprogramlibrary. Electr. Notes Theor. Comput. Sci. 264, 5 (2010), [21] Sinkovics, Á. The source code of mpllibs, [22] Sinkovics, Á. Nested lamda expressions with let expressions in c++ template metaprorgams. In WGT 11 (2011), Z. Porkoláb and N. Pataki, Eds., vol. III of WGT Proceedings, Zolix, pp [23] Sinkovics, Á. Boosting mpl with haskell elements, [24] Sinkovics, Á., and Abrahams, D. Using strings in c++ template metaprograms, [25] Sinkovics, Á., and Porkoláb, Z. Expressing c++ template metaprograms as lamda expressions. In Horváth et al. [11], pp [26] Sinkovics, Á., and Porkoláb, Z. Implementing monads for c++ template metaprograms. Technical Report TR-01/2011, Eötvös Loránd University, Faculty of Informatics, Dept. of Programming Languages and Compilers, Sept [27] Sinkovics, Á., and Porkoláb, Z. Domain-specific language integration with c++ template metaprogramming. Formal and Practical 10

12 Aspects of Domain-Specific Languages: Recent Developments (2012), 32. ISBN: [28] Sinkovics, Á., and Porkoláb, Z. Metaparse - compile-time parsing with c++ template metaprogramming, [29] Sinkovics, Á., and Porkoláb, Z. Implementing monads for c++ template metaprograms. Science of Computer Programming 78, 0 (2013), [30] Sipos, Á., Porkoláb, Z., and Zsók, V. Meta fun - towards a functional-style interface for c++ template metaprograms. Studia Universitatis Babes-Bolyai Informatica LIII, 2008/2 (2008), [31] Szűgyi, Z., Sinkovics, Á., Pataki, N., and Porkoláb, Z. C++ metastring library and its applications. In GTTSE (2009), J. M. Fernandes, R. Lämmel, J. Visser, and J. Saraiva, Eds., vol of Lecture Notes in Computer Science, Springer, pp [32] Unruh, E. Prime number computation, ANSI X3J /ISO WG [33] Veldhuizen, T. Expression templates. C++ Report 7 (1995), [34] Veldhuizen, T. Using C++ template metaprograms. SIGS Publications, Inc., New York, NY, USA, 1996, pp [35] Veldhuizen, T. L. C++ templates are turing complete. Tech. rep., [36] Veldhuizen, T. L., and Gannon, D. Active libraries: Rethinking the roles of compilers and libraries. In In Proceedings of the SIAM Workshop on Object Oriented Methods for Inter-operable Scientific and Engineering Computing OO 98 (1998), SIAM Press. [37] Zólyomi, I., Porkoláb, Z., and Kozsik, T. An extension to the subtype relationship in c++ implemented with template metaprogramming. In Generative Programming and Component Engineering, F. Pfenning and Y. Smaragdakis, Eds., vol of Lecture Notes in Computer Science. Springer Berlin Heidelberg, 2003, pp