从 Java 和 JavaScript 来学习 Haskell 和 Groovy（元编程）

四火

发布于 2022-07-18 14:00:21

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发布于 2022-07-18 14:00:21

文章被收录于专栏：四火的唠叨

本篇文章的话题是元编程。首先来认识元编程，我在第一篇《引子》里面已经介绍：元编程，指的是在运行时改变 “类” 的定义，例如访问、增加或修改等等。一言以蔽之，就是 “用程序来写程序”。在第二篇的《类型系统》里面已经借由继承和接口的实现，介绍了一些利用元编程特性来增加或改变子类行为的方法。回顾语言发展的长河，其实是经历了一个从 “对象 -> 类 -> 元类” 到 “对象 -> 原型” 的发展过程的。所以，无论是类，还是元类，这样的概念其实都不是非有不可的，只是因为我们思考的习惯，特别是抽象的习惯而顺其自然地产生了。这一点我在《编程范型：工具的选择》里面已经详细描述了，建议在往下阅读前移步。

正式介入元编程的部分，先来看看 Java，它的方式比较原始，也比较清晰，本身它定义了 Class、Method、Field 等等描述一个类的基本概念，基于静态语言的限制，没有办法真正在运行时改变一个类内部的结构（但是可以在运行时获取一个类内部的结构），于是有了像 CGLib 这样在运行时使用动态代理，创建一个类来替代的办法，让使用者看起来好像是改变了原始类的结构。当然，在编译期，像 AspectJ 这样的工具可以做到真正的 “织入” 逻辑，控制字节码的生成。对于 Java 的元编程本身而言，即便到今天，局限性很大，但是局限性并不意味着有用性，可以说如今元编程的应用已经铺天盖地，其中有这样两件事情大大加速了它元编程的发展：

一是 JDK 5 的注解，虽说它和元编程本身没有直接的联系，但是它提供了一种便捷的代码修饰方式，也让对于既有代码的扩展变得方便而充满可能。比如像 Lombok 这样基于注解的类库，让一个类的扩展和完善非常容易。
二是 Spring，无论是学 J2ME 还是 J2EE，Spring 都是值得去了解的，AOP 的概念老早就提了，但就是从它开始发扬光大的；IoC，把对象管理和拼装的逻辑反转到业务逻辑之外的容器上，这些实现都是需要通过对元编程的操纵来完成的。

再来看看 Haskell，把它和 Java 放在一起介绍，因为二者都是静态语言，改变类或者定义结构的事情只能寄期望于编译期完成。Haskell 的元编程并非核心内容，因此也更加初级，据我所知，基本上谈及 Haskell 的元编程，必谈 Template Haskell（TH）。我对 TH 的了解属于刚接触，对于进一步了解，需要知晓这样两个概念，抽象语法树（abstract syntax tree，AST），代码语法分析成功以后就会生成 AST，它包含的内容和代码本身是一致的。而 TH 的执行结果，也是生成一棵 AST。

接着要了解的概念是 QuasiQuotation，里面可以存放任何字符串，被视作一个表达式，允许程序员写自定义的结构片段（下面的中括号组合加上里面的竖线的这个结构 | |）。比如（例子来自这里）：

silly :: QuasiQuoter
silly = QuasiQuoter { quoteExp = \_ -> [| "yeah!!!" |] }

这一篇介绍相对比较容易理解（里面还介绍了使用 reify 来自省）。比如 d|head’ (x:_) = x| 这样的表达式会被解析成为这样一棵 AST：[FunD head’ [Clause InfixP (VarP x_1) GHC.Types.: WildP []]]。

如果表达式里面还有 Quotation，就需要使用 $() 来区分，比如：

emptyShow :: Name -> Q [Dec]
emptyShow name = [d|instance Show $(conT name) where show _ = ""|]

无论是上面的哪一个，限制都还是太多了，主要的原因还是在于，它们是静态语言；因此要用元编程用得自如，必须深入学习一门动态语言。

来看 JavaScript。从静态语言的囚笼中解脱出来， JavaScript 的元编程的能力虽然强大，但是却很容易归纳：

对对象的自省，对对象方法和属性的改变，这里的对象既包括普通的对象和方法实例，也包括 prototype 这个特殊成员；
eval 关键字。

其余那些元编程的特性，都是其他人或者说第三方基于以上元编程基本的能力给后加上去的。

对于第一条，其实可以用下面这个最简单的例子来概括：

function Func(){};
var func = new Func();

func.a = function(){
    console.log("a");
};
Func.b = function(){
    console.log("b");
};
Func.prototype.c = function(){
    console.log("c");
};

// instance
func.a();

// function
Func.b();

// prototype
func.c();

而对于第二条，还是用一个最简单的例子来说明，数据和代码等价的道理（还有一个关于模板引擎使用代码生成的例子在这里）：

var str = "{a:3, b:4}";
var obj = eval("(" + str + ")");
console.log(obj);

最后是 Groovy，把 Groovy 放在最后是因为它的元编程特性太丰富了（下面的特性，如果要找例子都可以去这个官网的链接）。Java 的所有元编程能力全部保留，在之基础上，下面我有选择地介绍几条。

1、MethodMissing：这是一个我非常喜欢的特性，简言之就是当被调用方法不存在时，可以执行的自定义方法，想一想，这相当于为对象提供了一个重要的特性：default 行为。与 methodMissing 相对的，还有 propertyMissing。

class Foo {
   def methodMissing(String name, def args) {
        return "this is me"
   }
}
assert new Foo().someUnknownMethod(42l) == 'this is me'

2、GroovyInterceptable：这个特性是给方法调用增加一层拦截逻辑，换句话说，是 AOP 的一种实现，比如：

class SimplePOGO implements GroovyInterceptable {
    void targetMethod(){
        System.out.println("...")
    }

    def invokeMethod(String name, args){
        System.out.println("${name} is being called")

        //Get the method that was originally called.
        def calledMethod = SimplePOGO.metaClass.getMetaMethod(name, args)
        calledMethod?.invoke(this, args)
    }
}

simplePogo = new SimplePOGO()
simplePogo.targetMethod()

上面的例子调用 targetMethod，但是拦截逻辑放在 invokeMethod 里面。

3、Categories，这是个从 Objective C 搬过来的特性。这个怎么说呢，很像电脑游戏里面角色的隐藏技能，平时不具备，但是危急关头（使用 use 关键字）可以触发打开，等到危急结束（use 的代码块结束），技能又消失，恢复原状。

use(TimeCategory)  {
    println 1.minute.from.now
    println 10.hours.ago

    def someDate = new Date()
    println someDate - 3.months
}

4、Magic Package。“魔法包”？听起来就很牛的样子，对吧。如果我们遵循 magic package 的命名规约，我们可以创建自定义的元类（MetaClass）：

groovy.runtime.metaclass.package.classMetaClass

比如我们要改变 java.lang.String 的逻辑，那就实现一个 MetaClass，并且这个类的路径是：

groovy.runtime.metaclass.java.lang.StringMetaClass

BTW，Groovy 的 MetaClass 的一系列子类能力很强，连 static method 之类的东西都可以改变。更多的元编程特性，去官网找就好了。

但是回过头来看一下，若论功能和特性的种类和纷繁程度，自然没得说，但是从语言设计的简洁性来说，JavaScript 这个老被说 “有缺陷” 的语言却可以甩 Groovy 几条街。这并非一个孰好孰坏的评判，正如同接口的设计一样，有人喜欢最简接口，有人喜欢人本接口。有的语言就是喜欢简洁，像我以前提过的 Io 语言，连关键字都省了；但是像 Perl 呢，却说：