Python 何时完成元编程

Question

我读过一篇论文，似乎说 Lisp、Scheme 和类似 Lisp 的宏的元编程发生在编译时：http://tratt.net/laurie/research/pubs/html/tratt__compile-time_meta-programming_in_a_dynamically_typed_oo_language/。

它似乎还表明 Python 等动态语言并没有使用很多编译时元编程。我知道 Java 可以使用 class 加载程序进行编译时元编程。在使用 Metaclasses 和装饰器的 Python 元编程以及使用 type()、isInstance() 等方法的反射中...这都是运行时的元编程还是背后还有更多？

Answer 1

简而言之就是：是的，装饰器、metaclasses等主要是运行时间发生的事情。

这也意味着在理解 Python.¹

中，SmallTalk 通常是比 Lisp 更好的参考点

长版有点牵强

Python 中的

"Compile time" 是关于将函数定义体、class 定义和模块本身编译为字节码。 "Runtime" 涉及解释这些机构。²

特别是，def 和 class 语句（编译为）运行像其他任何代码一样执行的时间代码。

例如，考虑这个模块：

@spam
def eggs():
    print(3)

print(3) 主体被编译成一些字节码，执行时会查找 print 并使用参数 3 调用它。然后可以将该字节码视为常量。

然后模块主体被编译成类似这样的伪代码：

eggs = spam(FunctionType('eggs', eggs_bytecode_constant, (), other_stuff))

当您 import 模块（或运行作为脚本）时，编译后的代码会在运行时执行。所以，这就是装饰器被调用的时候。

同样，考虑一下：

class Spam(metaclass=MetaSpam):
    def eggs(self):
        pass

首先，pass 被编译成字节码，除了 return None 之外什么都不做，可以将其视为常量。

接下来，class 主体被编译成字节码。由于 class 正文只有 def 语句，字节码相当于：

eggs = FunctionType('eggs', eggs_bytecode_constant, ('self',), other_stuff))

接下来，class 语句被编译成字节码，执行如下操作：

_namespace = {}
exec(Spam_bytecode_constant, _namespace)
Spam = MetaSpam('Spam', (object,), _namespace)

然后，当您 import 模块（或运行作为脚本）时，该字节码将被执行。所以，这就是调用 metaclass 的时候，创建了 class 对象。

这意味着你几乎可以忽略编译时发生的问题。³

如果您想直接调用 type（或自定义元 class），您将获得与 class 语句完全相同的效果。您甚至可以手动从字节码对象构造函数对象，并且您获得与 def 语句或 lambda 表达式完全相同的效果。您可以在创建函数或 class 之后修改它——例如，通过 Spam.cheese = cheese 将新方法添加到 class 最终与直接在 class语句。⁴

这也意味着反射在Python中并不神奇。对象在 public 属性中携带它们的类型信息，inspect 模块所做的事情与解释器使用相同属性所做的事情几乎相同。

但是，另一方面，这意味着一些用 Lisp 宏很容易做到的事情——比如将表达式的 AST 而不是表达式的值作为参数——用 Python 元编程。

好吧，我说这是不可能的，但是......如果你想在 Python 中进行 Lisp 风格的元编程，你实际上也可以做到。它只是意味着编写和安装 import hooks.⁵

通常，在 Python 中，import 找到源文件，使用 bytes.decode 将其解码为文本，使用 tokenize 模块对其进行标记，解析标记使用 ast.parse，并使用 compile 编译结果。所有这些部分都暴露给 Python 代码，并且（在 3.4+ 中）整个导入系统本身是用 Python 编写的，使用您可以自己使用的相同模块。

因此，导入挂钩可以安装自定义加载器，例如，像默认加载器一样解码、标记化和解析，然后像 Lisp 风格的宏一样修改 AST，然后编译和 return 结果类似于默认加载器。

如果您完全有兴趣这样做，您应该看看 MacroPy。

_{1.事实上，IIRC、Forman 的第一版和 Danforth 的 SmallTalk 书 Putting Metaclasses to Work 以及 Danforth 的另一篇论文对 Python' 产生了主要影响元编程设计。}

_{2。在交互模式下，Python 编译然后一次执行一个语句，有点混合，但思想并没有太大不同。}

_{3.事实上，不同的实现可以选择在编译时比 CPython 多做或少做，只要语义最终相同。}

_{4.除了一些细微的问题，例如 def 语句在上面的 _namespace 内部与 globals() 内部执行的方式，这可能会影响 super().}

_{5.原始 PEP 很好地涵盖了历史和基本原理，但没有涵盖现代 Python 中编写和安装挂钩的方式。为此，请阅读 the import system 上的参考文档并点击指向 importlib 包的链接。}

Python 何时完成元编程

When is meta-programming done in Python

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