Meta Lua

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描述

Metalua 向后兼容 Lua 5.1。你可以动态地为语言添加新的惯用法，并提供元程序，即在编译器编译另一个文件时运行的程序，这些程序可以读取/修改/写入/操作正在编译的程序。

实用性

实际的兴趣在于你可以扩展语言，通常是通过从其他语言导入一个概念：你定义一种新语法，以及一个将这种新惯用法转化为有效（尽管可能更长、更难读、更难维护）的 Lua 程序的处理函数。例如，包括对各种 OO 风格的适当支持、ML 式的结构化模式匹配、契约式设计、静态或运行时类型检查、惰性求值、推导式列表生成等。

状态

Metalua 的开发仍处于 alpha 阶段。

抽象语法树

高效处理任何数据的秘诀在于在正确的抽象级别上表示它。程序可以以多种方式表示：作为 ASCII 源文件、标记流、抽象语法树、字节码、编译后的二进制文件……然而，共识是，对于自动程序处理，最实用的表示形式是抽象语法树 (AST)。由于人类用户更喜欢纯文本源，Metalua 允许你使用 AST 和纯文本，根据需要混合它们，并提供从一种格式到另一种格式的转换功能。

学习曲线

用 metalua 编写扩展并非易事：你需要了解 AST 结构，清楚地理解元级别是什么，并能轻松地在不同元级别之间切换而不感到困惑。显然，精通 Lua 是必须的。

然而，重要的是要认识到，尽管设计一个扩展通常并不容易，但使用一个设计良好的扩展应该是容易的。

这种设计与 Lua 的设计一致：即使是非开发者，编写基本程序也很容易。但是，如果你想做一些高级的事情，你需要掌握一些非平凡的概念，如协程、环境、元表、弱表、高阶函数等。Lua 没有竭力避免需要查看底层，而是将底层保持得干净整洁，以便高级用户可以自信地对其进行修改。请注意，虽然编写一个用户数据周围的正确 API 可能不容易，但如果设计得当，使用它应该很容易。

这种“比编写更容易使用”的方法也类似于 C++ 的模板，尽管声称 C++ 易于使用有点夸张：如果你真的这么认为，掌握 metalua 将真的感觉像在公园散步。

如果你觉得 metalua 的特殊之处是你扩展设计中最难的部分，那可能意味着你低估了实现正确扩展的复杂性，包括你正在编写的那个。

Metalua vs. Lisp

尽管 Metalua 在技术上允许编写大量小型临时宏的程序，就像 Lisp 中经常做的那样，但这并非预期用途，并且不被鼓励。尽管宏可能非常方便，尤其是在单人项目从头开始开发所有内容时，但为了可读性和互操作性付出的代价通常不值得。

Lisp 以不惜一切代价追求自由为价值，让用户几乎可以随心所欲地编写，而无需太多指导。如果你曾经需要处理一些不是由杰出黑客编写的代码，这可能会成为一个问题。在另一个极端，一些极其呆板的语言使用起来很痛苦，但却孕育了大量有用、健壮且维护良好的库。Metalua 的目标是：

• 在宏有价值的时候支持宏：拥抱新的范式。
• 使编写无聊宏成为可能，但明显繁琐：允许程序员编写糟糕的代码，但应让他们意识到其糟糕的程度。
• 拥有“正确”的语法：语法很重要，它决定了什么是惯用的，什么不是。它赋予程序员分辨善恶的知识。
• 通过给予扩展设计者一些语法支持方面的灵活性，让他们自己决定什么是善，什么不是。
• 同时通过在语法中提供标准的扩展入口点来鼓励他们使用合理的语法，这使得尊重 Lua 语法精神更容易。

示例

由于 Metalua 处理大量树，拥有类似 ML 的模式匹配非常方便。这种扩展在语言中可用，并允许编写如下内容。请注意源代码中出现的 `-{ extension 'foobar' }` 语句：它在编译器中加载扩展，通过列出它们，你就知道使用的是哪种精确的语言方言。你也不需要记住如何编译每个单独的源文件：这些信息都存储在其中。

----------------------------------------------------
-- Lambda-Calculus evaluator (weak head normal form)
----------------------------------------------------
-{ extension "match" }

function replace(var, newval, term)
   match term with
   | `Var{ v } if v==var       -> return newval
   | `Var{ _ }                 -> return term
   | `Lambda{ v, _ } if v==var -> return term
   | `Lambda{ v, b }           -> return Lambda{ v, replace(var, newval, b) }
   | `Apply{ f, x }            -> return `Apply{ replace(var, newval, f), replace(var, newval, x) }
   end
end

function reduce_whnf(term)
   match term with
   | `Apply{ `Lambda { param, body }, arg } ->
      local x = replace (param, arg, body)
      return reduce_whnf(x)
   | _ -> return term
   end
end

有趣的是，上面的例子与 OCaml（从中借用了模式匹配惯用法）非常相似。

(* Type declaration: OCaml is a statically typed language! *)
type term =
| Var    of string
| Apply  of term * term
| Lambda of string * term

let rec replace var newval term =
   match term with
   | Var(v) when v==var       -> newval
   | Var(_)                   -> term
   | Lambda(v, _) when v==var -> term
   | Lambda(v, b)             -> Lambda(v, replace var newval b)
   | Apply(f, x)              -> Apply(replace var newval f, replace var newval x)

let rec reduce_whnf term =
   match term with
   | Apply(Lambda(param, body), arg) ->
     let x = replace param arg body in
     reduce_whnf x
   | _ -> term

最后一个例子将展示一个扩展实现的样子。我们将引入经常被要求的三个选择运算符，也称为 C 语言的“?:”条件运算符。由于 Lua 已经使用“:”进行方法调用，我们将它设为“bool ? foo, bar”而不是“bool ? foo : bar”。一个正确的（尽管效率不高）的编码方式是将其放入一个函数：“(function() if bool then return foo else return bar end end)()”。这被实现为

local function t_builder(bool, suffix)
   local foo, bar = unpack (suffix)
   return +{ (function() if -{bool} then -{foo} else -{bar} end end)() }
end

mlp.expr.suffix:add{ "?", mlp.expr, "," mlp.expr, builder=t_builder }

(为记录在案，一个更灵活且效率更高的实现可以在 [编译器中] 找到)。

作者

FabienFleutot

使用 Metalua 的相关项目

• LuaToCee - 将 Lua 源代码编译为 C API 代码（仅使用 Metalua 库）
• SourceOptimizer - 通过函数内联进行 Lua 源代码优化（仅使用 Metalua 库）
• [multimethods] - Lua（以 OO 风格）和 Metalua（通过语法扩展）的多方法实现。
• luaanalyze (位于 LuaFish 下) - Lua 源代码分析（仅使用 Metalua 库）

链接

• [Metalua]
• [Metalua 博客]
• [Metalua 可浏览源代码]
• [Lua for Windows] 现在包含 Metalua
• MetaLuaRecipes - 更多示例