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可扩展编程

可扩展编程（Extensible programming）是计算机科学的词语，是指程序设计的风格会着重在可以扩展编程语言、编译器、运行时系统的相关机制。可扩展编程语言（Extensible programming languages）是可以支持这种程序设计方式的编程语言，在1960年代曾是热门研究主题，而此运动在1970年代就已边缘化[1]，在21世纪时此一主题又受到关注[2]。

以往的发展

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第一篇和可扩展编程运动有关的论文[1][3]是道格拉斯·麦克罗伊在1960撰写，有关高级编程语言宏的论文[4]。另一个早期对可扩展原则的说明，出现在Brooker和Morris所著，有关编译器编译程序（compiler-compiler）的论文[5]。此运动中有二个具代表性，分别在1969年及1971年举行的学术座谈会，是此运动发展最热的时期[6][7]。Thomas A. Standish在1975年发表对此运动的调查文章，在本质上属于事后的剖析[1]。Forth算是此一运动的例外，不过也没有被人注意到。

特点

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可扩展编程语言会包括提供基础计算功能的基础语言（base language），以及可以修改基础语言的元语言。程序会包括元语言所进行的修改，以及以修改后基础语言所撰写的代码。

在此波潮流中，最著名的语言扩展技术就是宏定义。语法修改也和可扩展编程运动有密切的关系，最终发展成适应型文法（英语：Adaptive grammar）形式主义。Lisp编程语言的群体仍和可扩展编程语言群体分开，其原因显然如下：

任何编程语言，只要代码和资料在本质上可以互换，就可以视为是可扩展编程语言...由Lisp已长久当作可扩展编程语言来使用，就可以轻易的看出此一事实。[8]

在1969的研讨会中，认为Simula是可扩展编程语言。

Standish描述了三类不同的语言扩展，称为paraphrase、orthophrase和metaphrase。（paraphrase和metaphrase原来是翻译上的术语）。

  • paraphrase（改写）会说明新功能如何用以前定义（或是将要定义）的事物来表示，以此定义新的功能。Standish的举例提到了宏定义、一般程序定义、语法扩展、资料定义、运算符定义以及控制结构的扩展。
  • Orthophrase在语言中加入一些基础语言无法达成的功能，例如在没有输出入指令的基础语言中加入输入及输出功能。因为此功能无法用此基础语言表示，因此一定要用其他的语言来定义。这些扩展功能对原语言来说就是Orthophrase。这对应现代的插件。
  • Metaphrase会修改诠释表示式时所用的规则。这对应现代的反射式编程。

以往发展的终止

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Standish认为当时可扩展编程的失败是因为若程序有数层的扩展，在撰写时会格外困难。程序员可以在基础语言上加上第一层的宏。若要在此语言上加上第二层的扩展，后续的程序设计者需要熟悉基础语言，以及第一层的扩展。若要加上第三层的扩展，程序设计者需要熟悉基础语言、第一层扩展以及第二层扩展。取代可扩展编程运动的抽象化，其本意就是让程序设计者 不用接触低端的细节。

Standish虽然在1975年时将Simula归类为可扩展编程语言，但其研究似乎没有将比较新的，以抽象化为基础技术算在可扩展编程语言内（只是其中对可扩展的定义，使用了非常宽的定义，抽象化在技术上是在该定义范围内）。1978年有一份文献提到程序抽象化的历史，说明从电脑发明以来的相关演进，其中没有提到宏，也没有提及可扩展编程运动[9]。一直到1980年代末期，才试验性的将宏列在抽象化运动中（可能是因为卫生宏的出现），其名称为“句法抽象化”（syntactic abstraction）[10]。

现代的发展

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现代支持可扩展编程的系统需要提供以下的所有功能[来源请求]。

可扩展的语法

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这是指所编辑的来源编程语言不能是封闭、固定、静态不能变化的。要支持在来源编程语言加入新关键字、新概念或是结构的功能。有些编程语言可以用用户定义语法加入组成元素，例如Coq[11]、Racket、Camlp4（英语：Camlp4）、OpenC++、Seed7（英语：Seed7）[12]、 Red（英语：Red (programming language)）、Rebol及Felix。可扩展的语法可以接受一些基础以及固有的编程语言特性是不变的，但系统不可能只依赖这些编程语言的功能，需可以加入新的编程语言功能。

可扩展的编译器

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在可扩展编程中的编译器，不是一个将程序源代码转换为二进制可执行输出的单层系统。编译器本身也要是可扩展的，编译器在实质上是许多插件的组合，这些插件可以将原始编程语言的输入转换为任何想要的输出。例如，可扩展的编译器可以支持产生目标代码、程序文件、重新调整格式的源代码，或是其他想要的输出。编译器的架构需允许用户进入其编译流程内，在编译流程的各步骤可以提供其他的处理任务。

若考虑将原始程码翻译成电脑可以可执行文件案的这个任务，可扩展编译器需要有：

  • 在其功能的绝大部分层面，使用插件或是组件架构。
  • 确认要编译的语言（或是语言变体），配置适当的插件来的辨认及确认其语言。
  • 依各来源语言的型式语言规范，在句法及结构上确认。
  • 调用适当的确认插件，以协助来源语言的语义确认
  • 允许用户者在不同种类的代码产生器中选择，可以依处理器、操作系统、虚拟机及其他作业环境的不同，生成适合的可执行文件。
  • 提供错误消息产生的功能，以及相关的扩展。
  • 可以在抽象语法树（AST）中加入新的节点种类。
  • 抽象语法树的节点中允许有新的值。
  • 允许其他种类，连接节点的边。
  • 允许输入抽象语法树的转换，可以部分或全部来自外部的程序。
  • 允许输入抽象语法树的翻译，可以部分或全部交由外部的程序。
  • 协助内部和外部程序之间的信息流，因为他们都会将抽象语法树转换或是翻译为其他的抽象语法树，或是其他表现方式。

可扩展的执行时环境

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可扩展程序系统在执行时的环境要允许编程语言增加可处理的运算。例如，某个使用字节码解释器的系统，需要允许定义新的字节码。在可扩展语法下，可以接受少数基础运算或是固有运算是不能变的，不过这些固有运算要可以重载或是扩展，以便支持新增的行为。

内容和形式分离

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可扩展程序系统需将程序视为要处理的资料。程序中需要完全没有格式化相关的信息。要给用户的程序 视觉显示以及编辑都应该是可扩展编译器所支持的翻译函数，将程序资料转换成适合显示或是编辑的格式。此翻译会是双向的翻译。双向翻译的特性很重要，因为需要可以用许多不同的方式，轻松的处理可扩展程序。若只能用来源语言来编辑及查看，然后就翻译成机器代码，无法再翻译成其他的格式，这是无法接受的。透过将来源输入和其处理（格式、存储、显示及编辑）的格式分离，可以对程序进行各种不同的处理。

支持用原始语言调试

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可扩展程序系统需要可以用原始来源语言来进行调试，即使是程序在变成可执行档的过程有进行转换或是扩展也是一样。最为人知的是：不可以假设运行时资料只能用结构或是数组的方式显示。调试器（更准确的说法是“程序检查器”）需要让运行时资料以适合其来源语言的形式来呈现。例如，若编程语言支持业务过程或是工作流的数据结构，需要将数据结构用插件表示为流程图或是其他适合的型式。

相关的软件或编程语言

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相关条目

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参考资料

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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", 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[失效链接]", 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]. 
  12. ^ Zingaro, Daniel, "Modern Extensible Languages", SQRL Report 47 McMaster University (October 2007), page 16.
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