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可扩展编程

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可扩展编程(Extensible programming)是計算機科學的詞語,是指程式設計的風格會著重在可以擴展程式語言編譯器运行时系统的相關機制。可延伸程式語言(Extensible programming languages)是可以支援這種程式設計方式的程式語言,在1960年代曾是熱門研究主題,而此運動在1970年代就已邊緣化[1],在21世紀時此一主題又受到關注[2]

以往的發展

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第一篇和可扩展编程運動有關的論文[1][3]道格拉斯·麥克羅伊在1960撰寫,有關高階程式語言巨集的論文[4]。另一個早期對可擴展原則的說明,出現在Brooker和Morris所著,有關編譯器編譯程式(compiler-compiler)的論文[5]。此運動中有二個具代表性,分別在1969年及1971年舉行的學術座談會,是此運動發展最熱的時期[6][7]。Thomas A. Standish在1975年發表對此運動的調查文章,在本質上屬於事後的剖析[1]Forth算是此一運動的例外,不過也沒有被人注意到。

特點

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可延伸程式語言會包括提供基礎計算功能的基礎語言(base language),以及可以修改基礎語言的元語言。程式會包括元語言所進行的修改,以及以修改後基礎語言所撰寫的程式碼。

在此波潮流中,最著名的語言擴展技術就是巨集定義。語法修改也和可扩展编程運動有密切的關係,最終發展成適應型文法英语Adaptive grammar形式主义Lisp程式語言的群體仍和可扩展程式語言群體分開,其原因顯然如下:

任何程式語言,只要程式碼和資料在本質上可以互換,就可以視為是可延伸程式語言...由Lisp已長久當作可延伸程式語言來使用,就可以輕易的看出此一事實。[8]

在1969的研討會中,認為Simula是可延伸程式語言。

Standish描述了三類不同的語言延伸,稱為paraphrase、orthophrase和metaphrase。(paraphrase和metaphrase原來是翻譯上的術語)。

  • paraphrase(改寫)會說明新功能如何用以前定義(或是將要定義)的事物來表示,以此定義新的功能。Standish的舉例提到了巨集定義、一般程序定義、語法延伸、資料定義、運算子定義以及控制結構的延伸。
  • Orthophrase在語言中加入一些基礎語言無法達成的功能,例如在沒有輸出入指令的基礎語言中加入輸入及輸出功能。因為此功能無法用此基礎語言表示,因此一定要用其他的語言來定義。這些擴展功能對原語言來說就是Orthophrase。這對應現代的插件
  • Metaphrase會修改詮釋表示式時所用的規則。這對應現代的反射式编程

以往發展的終止

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Standish認為當時可扩展编程的失敗是因為若程式有數層的扩展,在撰寫時會格外困難。程式設計師可以在基礎語言上加上第一層的巨集。若要在此語言上加上第二層的扩展,後續的程式設計者需要熟悉基礎語言,以及第一層的扩展。若要加上第三層的扩展,程式設計者需要熟悉基礎語言、第一層扩展以及第二層扩展。取代可扩展编程運動的抽象化,其本意就是讓程式設計者 不用接觸低階的細節。

Standish雖然在1975年時將Simula歸類為可扩展程式語言,但其研究似乎沒有將比較新的,以抽象化為基礎技術算在可扩展程式語言內(只是其中對可扩展的定義,使用了非常寬的定義,抽象化在技術上是在該定義範圍內)。1978年有一份文獻提到程式抽象化的歷史,說明從電腦發明以來的相關演進,其中沒有提到巨集,也沒有提及可扩展编程運動[9]。一直到1980年代末期,才試驗性的將巨集列在抽象化運動中(可能是因為衛生巨集的出現),其名稱為「句法抽象化」(syntactic abstraction)[10]

現代的發展

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現代支援可扩展编程的系統需要提供以下的所有功能[來源請求]

可延伸的語法

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這是指所編輯的來源程式語言不能是封閉、固定、靜態不能變化的。要支援在來源程式語言加入新關鍵字、新概念或是結構的功能。有些程式語言可以用使用者定義語法加入組成元素,例如Coq[11]RacketCamlp4英语Camlp4、OpenC++、Seed7英语Seed7[12]Red英语Red (programming language)Rebol及Felix。可延伸的語法可以接受一些基礎以及固有的程式語言特性是不變的,但系統不可能只依賴這些程式語言的功能,需可以加入新的程式語言功能。

可延伸的編譯器

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在可延伸程式設計中的編譯器,不是一個將程式原始碼轉換為二進制可執行輸出的单层系统。編譯器本身也要是可延伸的,編譯器在實質上是許多插件的組合,這些插件可以將原始程式語言的輸入轉換為任何想要的輸出。例如,可延伸的編譯器可以支援產生目的碼、程式文件、重新調整格式的原始碼,或是其他想要的輸出。編譯器的架構需允許使用者進入其編譯流程內,在編譯流程的各步驟可以提供其他的處理任務。

若考慮將原始程碼翻譯成電腦可以執行檔案的這個任務,可延伸編譯器需要有:

  • 在其功能的絕大部份層面,使用插件或是元件架構。
  • 確認要編譯的語言(或是語言變體),配置適當的插件來的辨認及確認其語言。
  • 依各來源語言的型式語言規範,在句法及結構上確認。
  • 呼叫適當的確認插件,以協助來源語言的語意確認
  • 允許用戶者在不同種類的程式碼產生器中選擇,可以依處理器、作業系統、虛擬機及其他作業環境的不同,生成適合的執行檔。
  • 提供錯誤訊息產生的功能,以及相關的延伸。
  • 可以在抽象語法樹(AST)中加入新的節點種類。
  • 抽象語法樹的節點中允許有新的值。
  • 允許其他種類,連接節點的邊。
  • 允許輸入抽象語法樹的轉換,可以部份或全部來自外部的程式。
  • 允許輸入抽象語法樹的翻譯,可以部份或全部交由外部的程式。
  • 協助內部和外部程式之間的資訊流,因為他們都會將抽象語法樹轉換或是翻譯為其他的抽象語法樹,或是其他表現方式。

可延伸的執行時環境

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可延伸程式系統在執行時的環境要允許程式語言增加可處理的運算。例如,某個使用字节码直譯器的系統,需要允許定義新的字节码。在可延伸語法下,可以接受少數基礎運算或是固有運算是不能變的,不過這些固有運算要可以重載或是擴充,以便支援新增的行為。

內容和形式分離

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可延伸程式系統需將程式視為要處理的資料。程式中需要完全沒有格式化相關的資訊。要給使用者的程式 視覺顯示以及編輯都應該是可延伸編譯器所支持的翻譯函式,將程式資料轉換成適合顯示或是編輯的格式。此翻譯會是雙向的翻譯。雙向翻譯的特性很重要,因為需要可以用許多不同的方式,輕鬆的處理可延伸程式。若只能用來源語言來編輯及檢視,然後就翻譯成機械碼,無法再翻譯成其他的格式,這是無法接受的。透過將來源輸入和其處理(格式、儲存、顯示及編輯)的格式分離,可以對程式進行各種不同的處理。

支援用原始語言除錯

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可延伸程式系統需要可以用原始來源語言來進行除錯,即使是程式在變成可執行檔的過程有進行轉換或是延伸也是一樣。最為人知的是:不可以假設運行時資料只能用結構或是陣列的方式顯示。除錯器(更準確的說法是「程式檢查器」)需要讓運行時資料以適合其來源語言的形式來呈現。例如,若程式語言支援业务过程或是工作流的資料結構,需要將資料結構用插件表示為流程圖或是其他適合的型式。

相關的軟體或程式語言

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相關條目

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參考資料

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Standish, Thomas A., "Extensibility in Programming Language Design", SIGPLAN Notices 10 no. 7 (July 1975), pp. 18–21.
  2. ^ Gregory V. Wilson, "Extensible Programming for the 21st Century页面存档备份,存于互联网档案馆)", ACM Queue 2 no. 9 (Dec/Jan 2004–2005).
  3. ^ Sammet, Jean E., Programming Languages: History and Fundamentals, Prentice-Hall, 1969, section III.7.2
  4. ^ McIlroy, M.D., "Macro Instruction Extensions of Compiler Languages", Communications of the ACM 3 no. 4 (April 1960), pp. 214–220.
  5. ^ Brooker, R.A. and Morris, D., "A General Translation Program for Phrase Structure Languages", Journal of the ACM 9 no. 1 (January 1962), pp. 1–10. The paper was received in 1960.
  6. ^ Christensen, C. and Shaw, C.J., eds., Proceedings of the Extensible Languages Symposium, SIGPLAN Notices 4 no. 8 (August 1969).
  7. ^ Schuman, S.A., ed., Proceedings of the International Symposium on Extensible Languages, SIGPLAN Notices 6 no. 12 (December 1971).
  8. ^ Harrison, M.C., in "Panel on the Concept of Extensibility", pp. 53–54 of the 1969 symposium.
  9. ^ Guarino, L.R., "The Evolution of Abstraction in Programming Languages[失效連結]", CMU-CS-78-120, Department of Computer Science, Carnegie-Mellon University, Pennsylvania, 22 May 1978.
  10. ^ Gabriel, Richard P., ed., "Draft Report on Requirements for a Common Prototyping System", SIGPLAN Notices 24 no. 3 (March 1989), pp. 93ff.
  11. ^ Syntax extensions and notation scopes – Coq 8.17.0 documentation. coq.inria.fr. [2023-05-25]. (原始内容存档于2023-12-12). 
  12. ^ Zingaro, Daniel, "Modern Extensible Languages页面存档备份,存于互联网档案馆)", SQRL Report 47 McMaster University (October 2007), page 16.