python - 静态类型元编程？

Question

我一直在考虑将一些 Python 代码移植到 F# 或 Scala 等静态类型语言时会错过什么；库可以替换，简洁性相当，但我有很多python代码如下:

@specialclass
class Thing(object):
    @specialFunc
    def method1(arg1, arg2):
        ...
    @specialFunc
    def method2(arg3, arg4, arg5):
        ...

装饰器做了大量工作的地方:用带有状态的可调用对象替换方法，用额外的数据和属性扩充类，等等。虽然 Python 允许任何人随时随地进行动态猴子补丁元编程，但我发现基本上我所有的元编程都是在程序的一个单独的“阶段”中完成的。即:

load/compile .py files
transform using decorators
// maybe transform a few more times using decorators
execute code // no more transformations!

这些阶段基本上是完全不同的；我不在装饰器中运行任何应用程序级代码，也不在主应用程序代码中执行任何 ninja replace-class-with-other-class 或 replace-function-with-other-function。尽管该语言的“动态”特性表明我可以在任何我想要的地方这样做，但我从不在主应用程序代码中替换函数或重新定义类，因为它很快就会变得疯狂。

本质上，我是在开始运行代码之前对代码执行一次重新编译。

我所知道的静态类型语言中唯一类似的元编程是反射:即从字符串中获取函数/类，使用参数数组调用方法等。但是，这基本上将静态类型语言转换为动态类型语言，失去了所有类型安全(如果我错了，请纠正我？)。理想情况下，我认为，我会有以下内容:

load/parse application files 
load/compile transformer
transform application files using transformer
compile
execute code

本质上，您将使用普通编译器编译的任意代码来扩充编译过程，这将对主应用程序代码执行转换。关键是它本质上模拟了“加载、转换、执行”工作流程，同时严格保持类型安全。

如果应用程序代码出错，编译器会报错，如果转换器代码出错，编译器会报错，如果转换器代码编译但没有做正确的事情，要么会崩溃，要么编译后的步骤会报错最终类型不会相加。在任何情况下，您都不会通过使用反射进行动态调度来获得可能的运行时类型错误:它会在每一步都被静态检查。

所以我的问题是，这可能吗？它是否已经用我不知道的某种语言或框架完成了？理论上不可能吗？我对编译器或形式语言理论不是很熟悉，我知道它会使编译步骤变得完整并且不能保证终止，但在我看来，这是我需要匹配那种方便的代码 -我在保持静态类型检查的同时使用动态语言进行转换。

编辑:一个示例用例是一个完全通用的缓存装饰器。在 python 中它会是:

cacheDict = {}
def cache(func):
    @functools.wraps(func)
    def wrapped(*args, **kwargs):
        cachekey = hash((args, kwargs))
        if cachekey not in cacheDict.keys():
            cacheDict[cachekey] = func(*args, **kwargs)
        return cacheDict[cachekey]
    return wrapped


@cache
def expensivepurefunction(arg1, arg2):
    # do stuff
    return result

虽然高阶函数可以做一些这样的事情，或者对象-with-functions-inside 可以做一些这样的事情，AFAIK 它们不能被概括为与任何函数一起使用任意参数集并在保持类型的同时返回任意类型安全。我可以这样做:

public Thingy wrap(Object O){ //this probably won't compile, but you get the idea
    return (params Object[] args) => {
        //check cache
        return InvokeWithReflection(O, args)
    }
}

但是所有的转换都完全扼杀了类型安全。

编辑:这是一个简单的例子，其中函数签名没有改变。理想情况下，我正在寻找可以修改函数签名、更改输入参数或输出类型(a.l.a. 函数组合)，同时仍保持类型检查。

Answer 1

非常有趣的问题。

关于 Scala 元编程的一些要点:

• 在 scala 2.10 中会有 scala reflection 的发展

• 在源到源转换(宏)中有工作，这是您正在寻找的东西:scalamacros.org

• Java 有自省(introspection)(通过反射 api)但不允许 self 修改。但是，您可以使用工具来支持这一点(例如 javassist )。从理论上讲，您可以在 Scala 中使用这些工具来实现内省(introspection)之外的更多功能。

• 根据我对您的开发过程的了解，您将域代码与装饰器(或交叉关注点，如果您愿意的话)分开，这可以实现模块化和代码简单性。这可以很好地用于面向方面的编程，它允许这样做。对于 Java，有一个库 (aspectJ)，但我怀疑它是否会与 Scala 一起运行。