Искусство программирования для Unix - Реймонд Эрик Стивен

8.3.2. Расширение и встраивание языков

Один из фундаментально важных вопросов заключается в том, возможно ли реализовать мини-язык путем расширения или встраивания существующего языка сценариев. Нередко такой подход является правильным путем к императивному мини-языку, но гораздо менее верным к декларативному.

Иногда можно написать императивный язык путем простого кодирования служебных функций в интерпретируемый язык, который далее в целях освещения данной темы называется "базовым" (host) языком. Программы, написанные на таком мини-языке, являются просто сценариями, которые загружают служебную библиотеку и используют управляющие структуры и другие средства базового языка как каркас. Каждое средство, имеющееся в базовом языке, избавляет от необходимости писать собственное аналогичное средство.

Данный способ является простейшим для написания мини-языка. Lisp-программисты старой школы (включая самого автора) предпочитают данный прием и интенсивно его используют. Он лежит в основе конструкции редактора Emacs и открывается заново в языках сценариев новой школы, таких как Tel, Python и Perl. Однако такой подход имеет свои недостатки.

Базовый язык может оказаться неспособным предоставить интерфейс к необходимой библиотеке кода. Или его онтология типов данных может оказаться неадекватной для необходимого вида вычислений. Или измерения покажут слишком низкий уровень производительности прототипа. В таких ситуациях обычным решением является программирование на С (или С++) и интеграция результатов в создаваемый мини-язык.

Вариант расширения языка сценариев с помощью С-кода или внедрения языка сценариев в С-программу зависит от существования предназначенного для этих целей языка сценариев. Расширить язык сценариев можно, заставив его динамически загружать С-библиотеку или модуль так, чтобы точки входа С стали видимыми, как функции в расширенном языке. Для того чтобы встроить язык сценария в С-программу, необходимо отправлять команды экземпляру интерпретатора и получать результаты, как значения в С.

Обе методики также зависят от способности перемещать данные между онтологией типов С и онтологией типов используемого языка сценариев. Некоторые языки сценариев, в целях поддержки такой возможности разработаны снизу вверх. Одним из них является Tel, который рассматривается в главе 14, другим — Guile, диалект с открытым исходным кодом Lisp-варианта Scheme. Guile поставляется в виде библиотеки и специально предназначен для внедрения в С-программы.

Вполне возможно (хотя до сих пор довольно трудно) расширять или встраивать язык Perl. Очень просто расширять Python и немного сложнее внедрять его; С-расширения в мире Python используются особенно интенсивно. Язык Java имеет интерфейс для вызова "собственных методов" в С, хотя практические результаты этого бесперспективны, поскольку нарушается переносимость. Большинство версий командного интерпретатора Unix (shell) не предназначены для внедрения или расширения, однако оболочка Korn (ksh93 и боле поздние версии) является заметным исключением.

Существует множество причин не надстраивать создаваемый императивный мини-язык над существующим языком сценариев. Одна из весомых причин заключается в необходимости реализовать собственный, специальный грамматический аппарат для проверки ошибок. В таком случае следует рассмотреть приведенные ниже рекомендации по применению утилит уасс и lex.

8.3.3. Написание специальной грамматики

Для декларативных мини-языков основной вопрос состоит в том, следует ли использовать XML в качестве основного синтаксиса и определять грамматику как тип XML-документа. Вполне возможно, что такой подход верен для сложно структурированных декларативных мини-языков, однако здесь также актуальны предостережения, изложенные в главе 5, о конструкции форматов файлов данных — XML может быть излишним. Если XML не используется, следует соблюдать правило наименьшей неожиданности, поддерживая описанные Unix-соглашения для файлов данных (простой синтаксис на основе лексем, поддержка С-соглашений об использовании обратной косой черты и т.д.).

Если специальная грамматика действительно требуется, то утилиты уасс и lex (или их локальный эквивалент в используемом языке), вероятно, будут наилучшими помощниками, кроме тех случаев, когда грамматика используемого языка настолько проста, что ручное кодирование рекурсивного нисходящего синтаксического анализатора представляет собой тривиальную задачу. Даже тогда утилита уасс может предоставить более надежное устранение ошибок, а модифицировать г/асс-специфи-кацию по мере развития синтаксиса языка будет проще. В главе 9 рассматриваются производные от уасс и lex инструменты, доступные в языках различной реализации.

Даже в случае принятия решения о реализации собственного синтаксиса рекомендуется рассмотреть возможную выгоду от повторного использования имеющихся инструментальных средств. Если требуются макросредства, следует учесть, что предобработка средствами т4(1) может быть правильным решением. Однако, прежде всего, необходимо учесть предостережения, приведенные в следующем разделе.

8.3.4. Проблемы макросов

Средства макрорасширения были излюбленной тактикой разработчиков языков в ранней Unix. Язык С, несомненно, имеет такое средство. Кроме того, они обнаруживаются в некоторых более сложных мини-языках специального назначения, таких как pic(1). Препроцессор т4 предоставляет общее средство для реализации макро-расширяющих препроцессоров.

Макрорасширение просто определить и реализовать, а также осуществить с его помощью множество изящных и нетривиальных технических приемов. На ранних разработчиков, по-видимому, оказывал влияние опыт ассемблера, в котором макросредства часто были единственным механизмом, доступным для структурирующих программ.

Преимуществом макрорасширения является то, что оно не имеет сведений о синтаксисе, лежащем в основе базового языка, и может применяться для расширения данного синтаксиса. К сожалению, данным преимуществом очень легко злоупотребляют, создавая непрозрачный, непредсказуемый код, который является богатым источником тяжело определяемых ошибок.

Для языка С классическим примером такой проблемы является макрос, подобный следующему.

#define max(x, у) х > у ? х : у

Данный макрос создает как минимум две проблемы. Одна из них заключается в том, что он может вызвать непредсказуемые результаты, в случае если один из аргументов является выражением, включающим в себя оператор меньшего приоритета, чем > или ?:. Рассмотрим выражение max (а = Ь, ++с). Если программист забыл, что шах является макросом, то он будет ожидать, что присваивание а = b и преинкрементная операция с с будут выполнены до того, как результирующие значения будут переданы max в качестве аргументов.

Однако это не так. Вместо этого препроцессор преобразует данное выражение в а = b > ++с ? а = b : ++с, которое правила приоритета компилятора С заставляют интерпретировать как а = (b > ++с ? а = b : ++с). Результат будет присвоен а.

Подобное неверное взаимодействие можно предотвратить, кодируя определение макроса более безопасно.

#define max(x, у) ((х) > (у) ? (х) : (у))

С таким определением выражение будет развернуто как ((а = Ь) > (++с) ? (а = Ь) : (++с) ), что решает одну проблему, однако следует заметить, что переменная с может быть инкрементирована дважды. Существуют менее очевидные варианты данной проблемы, такие как передача макросу вызова функции с побочными эффектами.

Как правило, взаимодействие между макросами и выражениями с побочными эффектами может привести к неудачным результатам, которые трудно диагностировать. Макропроцессор С умышленно создан легковесным и простым. Более мощные макропроцессоры способны действительно вызвать более серьезные проблемы.