Реализация новых парадигм программирования в C++: плюсы и минусы

Введение

Язык программирования C++ является мультипарадигменным. В переводе на русский это означает, что в рамках этого языка можно разрабатывать программы, используя совершенно разные парадигмы программирования: процедурную, объектно-ориентированную и другие. Несомненным достоинством языка является возможность реализовывать библиотеки, предоставляющие среды для программирования с совершенно иными парадигмами. Ярким примером таких библиотек являются меташаблонные библиотеки из набора boost: lambda, phoenix, spirit и другие. Например, lambda и phoenix предлагают разработчику в C++ возможность функционального программирования, изначально языку не присущего. Что, несомненно, очень удобно для тех, кто привык к такой парадигме и в других языках.

Реализация библиотеки, предлагающей пользователю новую парадигму программирования, как правило, связана с некоторым расширением языка, с созданием нового языкового уровня, называемого "языком предметной области" (Domain Specific Language - DSL). Конечному пользователю библиотеки предлагается выражение логики его программы либо в рамках DSL, либо на всём пространстве нового языка [DSL + изначальный язык] (рис.1).

Рис.1

Идеал и реализация

Как правило, разработчик, владеющий навыками работы в нескольких парадигмах, выбирает ту, которая более удобна для текущей задачи. Например, основная часть кода может быть написана в стиле объектно-ориентированного программирования, а отдельные небольшие части - в стиле функционального программирования.

Рис.2

Чтобы не быть голословными, рассмотрим весьма распространённый пример использования функции for_each из стандартной библиотеки шаблонов (STL) C++:

void f1(const std::string &s)
{
    std::cout << s << std::endl;
}

void work()
{
    std::vector<std::string> v;
    
    // ...
    std::for_each(v.begin(), v.end(), &f1);
}

В примере эта функция используется для "пробегания" по всем элементам вектора v и вызова для каждого элемента функции f1. В результате получается построчный вывод содержимого вектора в стандартный поток вывода std::cout. Код вывода содержимого каждого элемента, однако, настолько прост, что здесь напрашивается использование какого-нибудь временного функционального объекта. В самом деле, зачем определять в коде новую вспомогательную функцию f1, если её алгоритм можно выразить в том месте, где она используется? Как минимум, это не засоряет пространство имён лишними конструкциями, которые нужны только в одном конкретном месте. Как максимум, делает код более читабельным, так как в реальном исходном тексте функции f1 и work могут находиться далеко друг от друга, и для понимания логики работы придётся воспользоваться текстовым поиском (или различными assistant-средствами IDE) с возможными прыжками по разным файлам.

Используя какую-нибудь библиотеку поддержки функционального программирования, можно преобразовать код к такому виду:

void work()
{
    std::vector<std::string> v;
    
    // ...
    std::for_each(v.begin(), v.end(), std::cout << _1 << std::endl);
}

Безусловно, это гораздо нагляднее и лучше передаёт смысл осуществляемого действия. В конечном счёте, это более удобно.

Удобство работы в рамках той или иной парадигмы зависит, помимо её основополагающих свойств и применимости к данной задаче, в том числе и от удобства её реализации. Для большинства людей очевидно, что реализация парадигм средствами самого языка программирования не вызывает вопросов о качестве, если это такой известный язык, как C++. То есть, проще говоря, процедурное и объектно-ориентированное программирование в нём может быть выполнено настолько качественно, насколько на это способен конкретный разработчик. Однако качество реализации парадигм средствами не языка, а библиотек, может быть абсолютно разным. А потому удобство программирования в рамках этих парадигм будет определяться не только навыками разработчика.

Критерием качества, который можно выделить в первую очередь, в данном случае служит точность выражения и использования элементов парадигмы в рамках заданного исходного языка программирования (host-языка, C++ в этой статье). Эта точность ограничивается наличием подходящих синтаксических конструкций языка, которые автор библиотеки может переопределить и использовать по своему усмотрению. Например, если в реализуемой парадигме есть ключевой синтаксический элемент "if", то в рамках C++ придётся придумывать различные заменители типа "if_" или "operator_if". Вторым критерием качества является прозрачность использования конструкций из новой парадигмы. В идеале для разработчика всё должно выглядеть так, как будто он пишет код в новой среде, которая и была написана специально для работы с этой парадигмой. Влияние нюансов и особенностей исходного языка на выражения программных конструкций из новой парадигмы должно быть сведено к минимуму.

Пример: парадигма функционального программирования

Наиболее известными библиотеками, предоставляющими среду для программирования в рамках этой парадигмы, являются библиотекиlambda и phoenix из набора boost. Эта парадигма подразумевает использования блоков программы как неименованных временных функциональных объектов. В примере выше вместо функции f1 как раз и был введён такой блок в качестве третьего параметра в функцию std::for_each.

Парадигма функционального программирования предлагает пользователю описывать блоки кода в качестве временных объектов, используя тот же язык программирования, что и в остальной части программы. То есть в идеале должно получиться что-то вроде того, что уже реализовано в последней версии стандарта языка C++:

...
std::for_each(v.begin(), v.end(),
   [](std::string s){ std::cout << s << std::endl; });

Выражение внутри "{" и "}", стоящее третьим параметром, должно быть абсолютно таким же корректным C++-кодом, что и остальная часть программы.

Сложность качественной реализации этой парадигмы определяется обоими критериями качества, что были упомянуты выше. Во-первых, автору библиотеки не удастся просто так использовать ключевые слова языка типа "if", чтобы реализовать свой функциональный объект. Придётся делать какие-то синтаксические заменители. Во-вторых, привычные глазу пользователя C++-конструкции, состоящие из наборов операторов, выражений и т.п., стоящие внутри блока, должны разворачиваться не в привычный код, который создаётся компилятором в обычном случае, а в искусственные внутренние конструкции, которые, в конечном итоге, породят выполняемый объект. Ведь выражение "std::cout << s << std::endl" на языке C++ означает "вывести в объект std::cout строку s с переводом строки" именно в том месте, где оно написано. А выражение для временного выполняемого объекта "[](std::string s){ std::cout << s << std::endl; }" означает "создать выполняемый объект, который, когда будет вызван, выполнит вывод переданного параметра и перевода строки в объект std::cout". И поведение этих самых внутренних искусственных конструкций, генерируемых библиотекой, значительно отличается от того кода, что создал бы компилятор, будь это обычная C++-программа.

Чтобы лучше представить, что же на самом деле происходит, и какие вспомогательные объекты создаются, рассмотрим следующий пример реализации подобной библиотеки. Это очень упрощённый пример, весьма далёкий от того, чтобы его использовать на практике, но, тем не менее, работающий.

#include <vector>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <string>

// Определим заглушку, которая будет использоваться в выражении в тех местах,
// где должен подставляться передаваемый при вызове параметр. Для простоты
// ограничимся поддержкой вызовов только с одним параметром.
template <int N> struct placeholder;

template <> struct placeholder<1>
{
    template <typename T1>
    T1& operator()(T1 &t1) { return t1; }
};

placeholder<1> _1;

// Определим простейший функтор, единственная задача которого - сохранить ссылку
// на переданный объект произвольного типа и возвращать её независимо от фактических
// параметров, передаваемых при вызове.
template <typename T> struct functor_ref
{
    T &_t;
    functor_ref(T &t) : _t(t) {}

    template <typename T1>
    T& operator()(T1&) { return _t; }
};

// Определим функтор, который инкапсулирует оператор << для любых левого и правого
// выражений. Они должны также представлять собой функторы этой микро-библиотеки.
template <typename Tl, typename Tr> struct functor_out
{
    Tl _l;
    Tr _r;
    functor_out(const Tl &l, const Tr &r) : _l(l), _r(r) {}

    template <typename T1>
    void operator()(T1 &t1)
    {
        _l(t1) << _r(t1);
    }
};

// Определим "свободный" оператор "<<" для любого выражения, у которого справа
// стоит определённая выше заглушка.
template <typename T, int N>
functor_out<functor_ref<T>, placeholder<N> > operator<<(T &l, placeholder<N> &r)
{
    return functor_out<functor_ref<T>, placeholder<N> >(functor_ref<T>(l), r);
}


int main(int argc, char* argv[])
{
  std::vector<std::string> v;
  v.push_back("test1\n");
  v.push_back("test2\n");

  std::for_each(v.begin(), v.end(), std::cout << _1);
  return 0;
}

Вывод программы:

test1
test2

Как всё это работает?

1. Магия начинается при попытке компиляции строчки std::for_each в функции main. Чтобы сформировать третий параметр, компилятор начинает разбор выражения std::cout << _1. В нём осуществляется вывод в поток std::cout объекта типаplaceholder<1>. Если бы где-то в стандартной библиотеке была определёна такая операция, компилятор просто сгенерировал бы соответствующий код вызова непосредственно в этом месте, а результат операции вернул бы в качестве третьего параметра дляstd::for_each. Однако такая перегрузка оператора вывода определена только в нашей программе.
2. В итоге компилятор генерирует вызов к специализации оператора вывода: functor_out<functor_ref<std::ostream>, placeholder<1> > operator<<(std::ostream &l, placeholder<1> &r). В данном операторе вместо реального вызова объекта потокаstd::cout ссылка на него сохраняется в объекте типа functor_ref<std::ostream>. И тот передаётся в качестве левого операнда в новый сконструированный возвращаемый объект functor_out<functor_ref<std::ostream>, placeholder<1> >. А в качестве правого операнда туда передаётся просто ссылка на заглушку _1.
3. Этот функтор, сохранив в себе всю информацию о будущей операции, и передаётся третьим параметром в std::for_each.
4. Внутри метода std::for_each, где происходит вызов этого функтора с элементом вектора, происходит следующее. Управление передаётся в оператор вызова functor_out<…>::operator()(std::string &t1). Там для выполнения выражения _l(t1) << _r(t1)поочерёдно вызываются левый и правый функторы. Левый возвращает ссылку на сохранённый объект std::cout. А правый возвращает ссылку на переданный в него первый параметр (t1).
5. После того, как получены левый и правый операнды, осуществляется непосредственно то, ради чего всё и затевалось - операцияstd::cout << t1.

Таким образом, прозрачно для пользователя библиотеки осуществляется как бы операция вывода элемента в поток, хотя на самом деле происходит её эмуляция. Теперь становится очевидно, что за выражением std::cout << _1 стоит совершенно не тот код, что за выражением реального вывода элемента в поток.

В чём принципиальное отличие настоящей библиотеки функционального программирования от только что рассмотренного кода? Во-первых, это поддержка от одного до N параметров, N обычно задаётся каким-нибудь макроопределением при компиляции библиотеки. Для поддержки переменного числа параметров в каждом функторе делается не один, а N операторов вызова - для 1, 2, 3… N аргументов. Например, так:

template <typename T1> void operator()(T1 &t1)
{
    _l(t1) << _r(t1);
}
template <typename T1, typename T2> void operator()(T1 &t1, T2 &t2)
{
    _l(t1, t2) << _r(t1, t2);
}
template <typename T1, typename T2, typename T3> void operator()(T1 &t1, T2 &t2, T3 &t3)
{
    _l(t1, t2, t3) << _r(t1, t2, t3);
}
//...

Во-вторых, передача аргументов иногда удобна по ссылке (если они будут меняться сформированным выражением), иногда по константной ссылке (если они участвуют только в выражении справа), или по значению (если эти объекты настолько малы, что эффективнее их передать именно так; например, тип char). Меташаблонные процедуры в библиотеке при компиляции программы должны определить наиболее подходящий тип передачи для каждого параметра.

В-третьих, в реальной библиотеке должен быть перегружен не один оператор "<<", а все, доступные для перегрузки. И их семантика должна быть сохранена, что не всегда удаётся выполнить на 100%.

А в-четвертых, что самое важное, настоящая библиотека должна уметь правильно определять тип возвращаемого значения в эмулируемой операции. В моём простейшем примере я использовал void в качестве такого типа, что, несомненно, годится только для примера. Это не позволит эмулировать выражения, где участвует больше двух операндов, например, "std::cout << _1 << std::endl". И это для автора библиотеки представляет далеко не тривиальную задачу, так как в языке C++ нет простых способов получить тип возвращаемого значения для произвольного выражения. Только в последней версии языка такой оператор появился.

Качество реализации парадигмы функционального программирования

Кратко рассмотрим, насколько реализации этой парадигмы в библиотеках lambda и phoenix близки к идеалу. В примерах, приводимых в документации по этим библиотекам, авторы пытаются показать, что их использование практически прозрачно для пользователя. То есть, что описание кодовых блоков почти не отличается от написания обычной программы на C++. Ниже уделяется внимание именно тем моментам, где идеал расходится с реальностью, т.е. местам, которые авторами либо пропускаются, либо дополняются использованием всяческих help"еров и wrapper"ов. Примечание: эксперименты проводились в Visual Studio 2008 на 32-разрядной машине.

1. Вывод строки в поток. Реализация функциональным объектом библиотеки lambda (с вызовом в том же месте):

(std::cout << boost::lambda::_1 << std::endl)("test");            // Не скомпилируется

Этот пример компилироваться не будет из-за ошибки с неоднозначностью выведения шаблона "boost::lambda::operator<<". Интересно, что убрав последний оператор вывода "<< std::endl" из приведённого кода, можно заставить пример скомпилироваться и нормально отработать. Реализация через phoenix компилируется и работает:

(std::cout << boost::phoenix::placeholders::_1 << std::endl)("test");

1. Использование произвольного глобального non-copyable объекта вместо std::cout. Для теста используем следующий объект:

class A
{
    A(const A&);
    A& operator=(const A&);
public:
    A() {}
    const A& operator<<(const char *p) const 
    { 
        std::cout << "\"A::operator<<\" has been invoked with: " << p << std::endl;
        return *this; 
    }
} g_a;

// Естественно, это работает:
g_a << "test";

Реализация с использованием lambda не компилируется, так как где-то внутри кто-то пытается копировать объект g_a. Необходимость передавать по значению объекты, которые сами по себе не могут быть скопированы, возникает достаточно часто при работе с разными библиотеками из boost-набора. Поэтому в boost есть универсальная ref-обёртка (reference wrapper), единственная задача которой - сохранив в себе ссылку на аргумент-объект, позволить внешнему коду её свободное копирование. Но в данном случае и использование вспомогательной ref-обёртки ничего не меняет:

(g_a << boost::lambda::_1)("test");                               // Не скомпилируется
(boost::ref(g_a) << boost::lambda::_1)("test");                   // Не скомпилируется

// Ещё одна параноидальная попытка:
(boost::ref(g_a) << boost::lambda::_1)(boost::lambda::make_const("test"));
                                                                  // Не скомпилируется

Попытка сделать то же самое на phoenix также не увенчалась успехом:

(g_a << boost::phoenix::placeholders::_1)("test");                // Не скомпилируется
(boost::ref(g_a) << boost::phoenix::placeholders::_1)("test");    // Не скомпилируется
(boost::phoenix::val(g_a) << boost::phoenix::placeholders::_1)("test");
                                                                  // Не скомпилируется
(boost::phoenix::ref(g_a) << boost::phoenix::placeholders::_1)("test");
                                                                  // Не скомпилируется

Наверное, есть шанс заставить всё это скомпилироваться, но такие попытки ставят под сомнение качество реализации этой парадигмы в рассматриваемых библиотеках по второму критерию. Проще говоря, быстрее было бы написать внешнюю простейшую функцию на C++, а не на псевдоязыке, который пытается быть похожим на C++.

Диагностика

Вывод системы обработки ошибок компилятора предназначен, в первую очередь, разработчикам, ведущим работу на языке этого компилятора. Тривиальное утверждение, не так ли? С другой стороны, авторы библиотек, предлагающих новые парадигмы программирования или новые DSL, предлагают как бы трансляторы из DSL в основной язык (рис.1). Но, в силу объективных причин, они не в состоянии обеспечить выдачу качественных диагностических сообщений пользователям своих DSL. Поэтому любая ошибка на этапе компиляции вырождается в монстрообразные сообщения компилятора, содержание которых имеет мало общего с тем кодом, который написал разработчик. Часто можно считать, что сообщения об ошибке просто нет - мы знаем только результат компиляции: "успешно" / "не успешно".

Я наблюдал два типа попыток авторов библиотек довести до разработчика транслированную информацию об ошибке. Во-первых, это применение статических проверок со специальными именами типов тестовых внутренних объектов. Например, некоторые статические проверки основаны на том, что при некорректной генерации кода в местах статической проверки компилятор пытается вычислить длину массива с отрицательной длиной. Автор библиотеки пытается сделать информативным название такого массива, чтобы хоть как-то передать пользователю, что именно в точке проверки не так. Выглядеть сообщение компилятора будет примерно так: "не удаётся создать массив this_is_wrong_library_using_case_xxx[-1] с отрицательной длиной". Пользователь библиотеки, разумеется, должен обратить внимание не на то, что это там за массив с отрицательной длиной, а что такое "неверный вариант xxx использования библиотеки".

Вторая попытка довести до пользователя информацию о возможной ошибке - это специальные комментарии в определённых местах кода библиотеки. Если автор библиотеки может с уверенностью сказать, что в данном месте ошибка компиляции может возникнуть только по причине определённого некорректного использования, то он оставляет там комментарий типа: " // если компилятор здесь сообщил об ошибке, то это значит, что вы неверно используете библиотеку в варианте xxx".

В целом это неплохие варианты сообщения об ошибке и иногда они помогают. Однако это "детский лепет" по сравнению с той максимально полной информацией, которую бы мог выдавать полноценный компилятор DSL-языка. Работая в рамках классического C++, это можно сравнить с разницей в сообщении "не могу скомпилировать класс A" и реальным сообщением современного C++-компилятора:

Код:

class A {
    A() {}
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    A a;
    // ...

Вывод:

sample1.cpp(7) : error C2248: A::A: невозможно обратиться к private член, объявленному в классе "A"
sample1.cpp(2): см. объявление 'A::A'
sample1.cpp(1): см. объявление 'A'

В этом примере приведена диагностика компилятора от Visual Studio 2008 при попытке скомпилировать данный код. В диагностике содержатся сведения о:

• точке в коде, где используется класс, при компиляции которого возникла ошибка;
• причине, почему такое использование класса ошибочно + ссылка на более подробные сведения в справочнике;
• точке, где определён сам класс;
• точке, где определён тот метод, который вызывает эту ошибку.

Заключение

Безусловно, язык C++ предлагает множество способов не только для написания конечных программ, но и для написания метабиблиотек, предлагающих новые парадигмы программирования или просто дополнительные DSL. И мощь таких сред в том, что разработку конечной программы можно вести сразу в нескольких парадигмах, прозрачно переключаясь между ними, не испытывая проблем с кросс-языковой совместимостью.

Однако это не даётся даром. Чем более объёмной является сторонняя парадигма или DSL, тем больше побочных эффектов (или нюансов) имеют созданные таким образом среды. И эти нюансы зачастую делают практически невозможным их прозрачное использование "как будто мы работаем в среде этого DSL". Разработчик должен не просто знать этот DSL, но и знать все эти нюансы, что резко повышает требования к его компетенции. Сложность процесса освоения таких сред на практике часто ставит вопрос о целесообразности их использования. Не говоря уже о сложности их создания.

Рис.3

Итак, на данный момент метапрограммирование в C++ имеет ряд существенных недостатков, значительно ограничивающих его широкое применение. И, как следствие, созданные с его применением DSL также весьма ограничены. Мне видятся два варианта дальнейшего пути развития языка.

Первый - это расширение языка средствами, позволяющими выполнять метапрограммирование более естественным образом. У языка должны быть средства, позволяющие свободно расширять его синтаксис. Примером может служить язык Nemerle, где можно с лёгкостью вводить через макроопределения новые операторы, а затем использовать их так же, как и первоначально встроенные в язык. Ещё одно важное для метапрограммирования свойство языка - отражение (reflection). С его помощью в программе можно получать свойства самой же программы, преобразовывать её. Метапрограммирование по сути - это написание программ, преобразующих не данные, как в обычном программировании, а другие программы или самих себя.

Второй вариант дальнейшего развития языка - это внедрение в него новых, но уже широко зарекомендовавших себя на практике, DSL и парадигм программирования. В этом случае инициатива переходит от авторов метабиблиотек к авторам самого языка.

В новой версии языка C++ авторы решили выбрать что-то среднее между этими двумя вариантами. С одной стороны, они позаботились об удобстве метапрограммирования. Например, ввели оператор decltype, с помощью которого можно получить тип, возвращаемый любым выражением языка. С другой стороны, что касается парадигмы функционального программирования, они реализовали её прямо в языке. Что, безусловно, позволит писать более "опрятные", лаконичные и эффективные программы.

Список литературы

1. Документация к библиотекам lambda и phoenix из набора boost.