メタプログラミング

メタプログラミング（Metaprogramming）とは、自己反映性のプログラムロジックを操作して、コードまたはデータ定義情報の変容による再帰的かつ帰納的なプログラムの自己修正を表現するためのプログラミング技法である。そのプログラムロジックは形而上的要素になぞらえられて実装面ではメタデータと呼ばれる。プログラムの自己修正はランタイム時とコンパイル時に大別される。ランタイム時の方はプログラム開始時の動作制約を越えた実行プロセスの最適化を目的にしており機械学習にも似た性質を持つ。コンパイル時の方はソースコードの記述量削減とオブジェクトコードの最適化を目的にしている。ランタイム時メタの実装方式には動的型付け向けのメタオブジェクトと静的型付け向けのリフレクションがある。コンパイル時メタの実装方式にはマクロとテンプレートメタプログラミングがある。自動プログラミング、属性指向プログラミング多段階プログラミングといったスタイルも存在する。メタプログラミングの原点は「LISP」であり人工知能研究とも関係性がある。

概要

代表的なメタプログラミングの例はLISPのマクロである。LISPではデータ、コードが全てS式で表現されるが、マクロによりS式が言語処理系に解釈される前に別なS式へと変換することができる。これにより例えば、

(defstruct point (x 0) (y 0))

という記述から

• 構造体定義 point型
• コンストラクタ make-point (省略時の初期値は0, 0)
• アクセサ point-x point-y
• 複製 copy-point
• 述語 point-p

が自動的に生成される。

これがメタプログラミングと呼ばれるのは、「自動生成が言語組み込みの機能ではなくLISPのマクロによって記述されており、必要なら同様の機構をプログラマが定義できる」ためである。これは事実上言語文法の拡張に等しく、非常に強力なプログラム能力を得ることになる。反面、マクロは本来の文法を逸脱した字句の置き換えであるため、コードが「記述どおりでない」動作を行うことを意味している。そのため一般に必要でないメタプログラミングは避けられるべきとされる。

たとえば、文字列を整形して出力するformat関数

(format t "hello,world")

を用いた例を紹介する。LispのS式がLispフォームになるためには、「S式の最初の要素は(関数、マクロ、特殊フォーム)のいずれかではならない。」しかし、

(defmacro backwards (expr) (reverse expr))

を定義すると、以下のように書ける:

(backwards ("hello,world" t format))

このことは、Lispのマクロが、上のかぎ括弧「」で括った言語仕様を変更し、独自の文法を作り上げたとも考えられる。しかし、この文法は、通常のLispにおいて期待されるような構成をしていない「記述どおりでない動作を行うプログラム」の一例であり、コードの可読性を損なう恐れのある不必要なメタプログラミングである。

メタプログラミングの他の例としてはC++における「テンプレートメタプログラミング」などが挙げられる。

関連項目

• LISP
• REBOL
• クワイン (プログラミング)
• ドメイン固有言語 - メタプログラミングにより構築することもできる。
• 部分評価