Metaprogramowanie to proces tworzenia kodu, którego zadaniem jest generowanie kodu. W Elixirze mamy możliwość rozszerzania języka tak, by dynamicznie generowany kod dostosowywał się do naszych bieżących potrzeb. Najpierw przyjrzymy się, jaka jest wewnętrzna reprezentacja kodu Elixira, następnie zobaczmy, jak można ją modyfikować, by w końcu wykorzystać zdobytą wiedzę do rozszerzania kodu za pomocą makr.
Drobna uwaga: metaprogramowanie jest zawiłe i powinno być stosowane tylko w ostateczności. Nadużywane wpędzi nas w kłopoty ze zrozumieniem i utrzymaniem zawiłego i skomplikowanego kodu.
Pierwszym krokiem w metaprogramowaniu jest zrozumienie, jak reprezentowana jest składnia programu. W Elixirze drzewo składniowe (ang. Abstract Syntax Tree – AST) jest wewnętrznie reprezentowane w postaci zagnieżdżonych krotek. Każda z nich ma trzy elementy: nazwę funkcji, metadane i argumenty.
By zobaczyć tę wewnętrzną strukturę, Elixir udostępnia funkcję quote/2. Używając quote/2 możemy zamienić kod Elixira tak by była dla nas zrozumiała:
iex> quote do: 42
42
iex> quote do: "Hello"
"Hello"
iex> quote do: :world
:world
iex> quote do: 1 + 2
{:+, [context: Elixir, import: Kernel], [1, 2]}
iex> quote do: if value, do: "True", else: "False"
{:if, [context: Elixir, import: Kernel],
[{:value, [], Elixir}, [do: "True", else: "False"]]}
Zauważyłeś, że pierwsze trzy wywołania nie zwróciły krotek? Istnieje pięć elementów języka, które zachowują się w ten sposób:
iex> :atom
:atom
iex> "string"
"string"
iex> 1 # All numbers
1
iex> [1, 2] # Lists
[1, 2]
iex> {"hello", :world} # 2 element tuples
{"hello", :world}
Skoro wiemy już jak uzyskać wewnętrzną reprezentację kodu, to pojawia się pytanie, jak ją modyfikować? By wstawić do kodu nową wartość lub wyrażenie użyjemy unquote/1. Zostanie ono wyliczone, a następnie wstawione w odpowiednie miejsce AST. Zobaczmy, jak działa unquote/1 na poniższym przykładzie:
iex> denominator = 2
2
iex> quote do: divide(42, denominator)
{:divide, [], [42, {:denominator, [], Elixir}]}
iex> quote do: divide(42, unquote(denominator))
{:divide, [], [42, 2]}
W pierwszym przykładzie zmienna denominator jest elementem drzewa AST i została przedstawiona jako krotka opisująca odwołanie do zmiennej. Jednak, gdy użyjemyunquote/1, to w rezultacie zostanie wyznaczona wartość zmiennej denominator i to ona zostanie wyświetlona.
Jak już rozumiemy quote/2 i unquote/1, to możemy przyjrzeć się makrom. Ważną rzeczą do zapamiętania jest to, że makra tak jak całe metaprogramowanie powinny być używane oszczędnie.
Najprościej mówiąc makro to rodzaj funkcji, która zwraca fragment AST, które może zostać wstawione do naszego kodu. Przy czym makro zostanie zamienione na nasz kod, a nie wywołane jak zwykła funkcja. Dysponując makrami mamy wszystkie niezbędne narzędzia, by dynamicznie dodawać kod w naszych aplikacjach.
By zdefiniować makro, użyjemy defmacro/2, które, jak wiele rzeczy w Elixirze, samo też jest makrem. W naszym przykładzie zaimplementujemy unless jako makro. Pamiętaj, że makro musi zwrócić fragment AST:
defmodule OurMacro do
defmacro unless(expr, do: block) do
quote do
if !unquote(expr), do: unquote(block)
end
end
end
Zaimportujmy więc nasz moduł i pozwólmy makru działać:
iex> require OurMacro
nil
iex> OurMacro.unless true, do: "Hi"
nil
iex> OurMacro.unless false, do: "Hi"
"Hi"
Ponieważ makra podmieniają kod w naszej aplikacji, zatem mamy wpływ na to, co i kiedy zostanie skompilowane. Przykład tego typu zabiegów znajdziemy w module Logger. Kiedy logowanie jest wyłączone, to żaden kod nie zostanie dopisany i w rezultacie nasza aplikacja nie będzie miała śladu po wywołaniach loggera. Takie zachowanie wyróżnia Elixira wśród innych języków, w których nadal istnieje narzut związany z wywołaniem funkcji, które z powodu konfiguracji nic nie robią.
By zademonstrować to zachowanie, stwórzmy prosty logger, który będzie można włączyć i wyłączyć:
defmodule Logger do
defmacro log(msg) do
if Application.get_env(:logger, :enabled) do
quote do
IO.puts("Logged message: #{unquote(msg)}")
end
end
end
end
defmodule Example do
require Logger
def test do
Logger.log("This is a log message")
end
end
Gdy logowanie jest włączone funkcja test będzie wyglądać mniej więcej w ten sposób:
def test do
IO.puts("Logged message: #{"This is a log message"}")
end
Ale jeżeli jest wyłączone to kod będzie następujący:
def test do
end
Niespotykanym rozwiązaniem w innych językach jest wspierany przez Elixira mechanizm makr prywatnych. Makro prywatne definiujemy za pomocą defmacrop i można je wywołać tylko w module, w którym zostało zdefiniowane.
Sposób, w jaki makro wchodzi w interakcję z kontekstem wywołującego, jest nazywane separacją makr. Domyślnie Elixir odseparowuje makra od kontekstu, by nie powodowały konfliktów:
defmodule Example do
defmacro hygienic do
quote do: val = -1
end
end
iex> require Example
nil
iex> val = 42
42
iex> Example.hygienic
-1
iex> val
42
Co, jeżeli chcielibyśmy manipulować zmienną val w makrze? Możemy oznaczyć naszą zmienną jako nieodseparowaną za pomocą var!/2. Dodajmy do przykładu kolejne, nieodseparowane makro, używające var!/2:
defmodule Example do
defmacro hygienic do
quote do: val = -1
end
defmacro unhygienic do
quote do: var!(val) = -1
end
end
Porównajmy, jaki wpływ mają na nasz kontekst:
iex> require Example
nil
iex> val = 42
42
iex> Example.hygienic
-1
iex> val
42
iex> Example.unhygienic
-1
iex> val
-1
Dodając var!/2 możemy manipulować wartością val bez konieczności przekazywana jej jako parametru. Używanie nieodseparowanych makr powinno być ograniczone do minimum. Używając var!/2 zwiększamy szansę na pojawienie się konfliktu nazw i zakresów wśród zmiennych.
Wiemy już, jak użyteczna jest funkcja unquote/1, ale poza nią istnieje jeszcze inna metoda wstawiania wartości do kodu, spinanie. Wykorzystując spinanie zmiennych, możemy używać zmiennej wiele razy w jednym makrze bez obawy, że nastąpi zmiana jej wartości. By tego dokonać, musimy przekazać opcję bind_quoted do funkcji quote/2.
By pokazać zalety bind_quote oraz problem zmiany wartości zmiennej posłużmy się następującym przykładem. Stwórzmy proste makro, które będzie dwukrotnie wypisywać przekazaną wartość:
defmodule Example do
defmacro double_puts(expr) do
quote do
IO.puts unquote(expr)
IO.puts unquote(expr)
end
end
end
Przetestujmy je podając aktualny czas. W rezultacie powinniśmy zobaczyć dwie linie:
iex> Example.double_puts(:os.system_time)
1450475941851668000
1450475941851733000
Wartości są różne! Co się stało? Gdy użyliśmy unquote/1 na tym samym wyrażeniu kilka razy, to pomiędzy naszymi wywołaniami wartość wyrażenia zmieniła się, co doprowadziło do nieoczekiwanego zachowania. Poprawmy kod, używając bind_quoted i zobaczmy co się stanie:
defmodule Example do
defmacro double_puts(expr) do
quote bind_quoted: [expr: expr] do
IO.puts expr
IO.puts expr
end
end
end
iex> require Example
nil
iex> Example.double_puts(:os.system_time)
1450476083466500000
1450476083466500000
Kod z bind_quoted zadziałał zgodnie z oczekiwaniami, pojawiła się dwa razy taka sama wartość.
Teraz gdy znamy quote/2, unquote/1 idefmacro/2, to mamy już wszystkie potrzebne narzędzia, by rozszerzać Elixira wedle naszych potrzeb.