Klasy bardziej meta

W językach ze skrzywieniem obiektowym klas używa się często i gęsto. Nieco inaczej jest z innym, o wiele mniej znanym pojęciem: metaklasami. Przedrostek meta- sugeruje tu od razu nieco wyższy poziom abstrakcji, co jest generalnie słusznym podejrzeniem. Dokładne znaczenie kryjące się za tym terminem w pewnym stopniu zależy od języka programowania, lecz w każdym przypadku chodzi o narzędzie związane z manipulowaniem samymi klasami. Zupełnie intuicyjnie jest to więc “jeden poziom meta więcej” :)
Jako nieco bardziej zaawansowana funkcjonalność, metaklas nie wykorzystuje się codziennie. Tym bardziej jednak warto wiedzieć przynajmniej z grubsza, jak działają, aby poprawnie rozpoznawać sytuacje, w których są one użyteczne. I dlatego właśnie dzisiaj przyjrzymy się metaklasom w trzech wariantach, specyficznych dla popularnych języków programowania.

Pierwszy z nich dotyczy systemów refleksji, czyli przydatnego mechanizmu językowego, pozwalającego programowi na wgląd w swoją wewnętrzną strukturę. W językach obiektowych oznacza to przede wszystkim możliwość posługiwania się klasami na bardziej dynamicznym poziomie. Są one wtedy reprezentowane przez obiekty, i właśnie te reprezentacje – używane poprzez moduły refleksji – nazywa się czasem metaklasami.
W wielu językach wyglądają one podobnie. Java ma na przykład klasę java.lang.Class, zaś C# – System.Type. Zyskując dostęp do instancji tychże klas (np. poprzez Class.forName albo Type.GetType) otrzymujemy możliwość wykonywania operacji na klasach, które one reprezentują. I tak możliwe jest chociażby tworzenie ich obiektów, wywoływanie metod, dostęp do pól. Dzięki temu możemy na przykład w (miarę) łatwy sposób zaimplementować proste rozwiązania wspierające pluginy, tj. dynamicznie ładowane wtyczki do naszych aplikacji.

Drugie znaczenie pojęcia metaklasy opisuje referencje do klas. Ideą jest tu traktowanie klas jako wartości pierwszego rodzaju (first-class value), które można przypisywać do zmiennych i w uogólniony sposób przekazywać między różnymi miejscami w kodzie. Specjalne zmienne, do których możemy “przypisywać” klasy są w co najmniej jednym języku nazywane właśnie metaklasami.
Przydatność tego typu rozwiązania zależy głównie od tego, jak wielkimi jesteśmy fanami wzorców typu fabryka abstrakcyjna :) Być może podstawową funkcjonalnością takich metaklas jest bowiem abstrakcja procesu tworzenia (lub ogólniej: pozyskiwania z zewnątrz) nowych obiektów. Pozostałe przypadki użycia metaklas są pokrywane zwykle przez szablony (C++), typy generyczne (C#, Java, itp.) lub podobne mechanizmy tworzenia kodu, który w pewien określony sposób jest niezależny od dokładnego typu obiektów, którymi operuje.

Czas wreszcie na trzeci wariant metaklas. Jest on zdecydowanie najciekawszy, ale też najbardziej skomplikowany i w pewien sposób wysublimowany – mimo swojej niewątpliwej użyteczności. Mam tutaj na myśli metaklasy w Pythonie.

Typy rozróżnialne

W większości języków możemy zdefiniować nową nazwę dla istniejącego typu danych; nazywa się ją zwykle aliasem. I tak na przykład w C/C++ jest to możliwe za pomocą słowa kluczowego typedef. Analogicznie w Delphi mamy od tego słowo kluczowe type:
[delphi]type TMyInt = Integer;[/delphi]
Tak powstały typ TMyInt jest faktycznie tylko aliasem. Zmienne należące do tego typu są bowiem całkowicie kompatybilne ze zmiennymi zwykłego typu całkowitego Integer. W razie potrzeby konwersja między nimi może bez problemu zachodzić w obie strony.

Jeżeli jednak użylibyśmy deklaracji w formie:
[delphi]type TMyInt = type Integer;[/delphi]
wówczas TMyInt byłby już zupełnie innym typem niż Integer. Mimo że oba mogłyby przechowywać wartości tego samego rodzaju (liczby całkowite) i z tego samego zakresu, konwersje między nimi wymagałyby rzutowania.
Można by sądzić, że tworzenie takich typów rozróżnialnych “na siłę” jest bezcelowe. Zauważmy jednak, że typy wyliczeniowe (deklarowane przez enum) są przecież także w gruncie rzeczy liczbami z określonego zbioru. Najczęściej jednak nie chcemy, aby możliwa była niejawna konwersja między nimi a normalnymi typami liczbami. Wszystko dlatego, że w enumach liczby nie pełnią funkcji liczb, tylko identyfikatorów pewnych stanów.

Podobnie tutaj w przypadku TMyInt nie chodzi nam zapewne o liczby w sensie ich wartości, tylko o coś w rodzaju uchwytów – identyfikatorów obiektow. Kopalnią typów przeznaczonych do takiego właśnie celu jest oczywiście Windows API, zawierające tak znane i lubiane typy jak HWND, HINSTANCE, HDC, itd. Wszystkie one są w gruncie rzeczy liczbami 32-bitowymi, a mimo to nie są ze sobą kompatybilne. Gdyby API to było obiektowe, obiekty reprezentowane obecnie przez te uchwyty należałyby do różnych klas.
Efekt niezgodności uchwytów osiągnięto, deklarując ich typy nie jako aliasy na DWORD:

lecz jako niezwiązane ze sobą typy wskaźnikowe:

Można to uznać za dość pokrętną sztuczkę, ale na pewno jest ona lepsza niż tworzenie typu wyliczeniowego zawierającego nieco ponad 4 miliardy (2³²) nazwanych stałych ;]

Semantyczne unikaty

W języku angielskim istnieje bardzo ciekawe słowo ‘serendipity‘. W skrócie, oznacza ono “umiejętność” dokonywania szczęśliwych i ważnych odkryć całkowicie przez przypadek – w szczególności wtedy, gdy tak naprawdę szukaliśmy czegoś zupełnie innego. Najciekawszą cechą tego słowa jest fakt, że bardzo trudno przełożyć je na język inny niż angielski przy pomocy czegoś krótszego niż podana wcześniej definicja (a już na pewno nie poprzez jeden wyraz). Dlatego też w 2004 roku znalazło się ono w czołówce najtrudniejszych do przetłumaczenia słów.

Czy w językach programowania możemy spotkać się z czymś podobny? Istnieją oczywiście tzw. idiomy, nakazujące by określone czynności robić tak, a nie inaczej – jak choćby słynny idom erase–remove z STL. Jednak tutaj chodzi mi raczej o taki element języka, który ułatwia życie albo po prostu jest w jakiś sposób nietypowy i – co najważniejsze – nie jest po prostu cukierkiem składniowym: jego przełożenie na inny język wymagałoby większej ilości kodu lub byłoby po prostu niemożliwe.
Jeżeli odpowiedź to pytanie jest twierdząca, to moimi osobistymi typami są:

• Pętla for w C++. Można ją rzecz jasna z powodzeniem symulować we wszystkich językach proceduralnych przy pomocy pętli typu while, lecz jej elastyczność jest naprawdę zadziwiająca. Prawie komicznie wygląda pętla, w której wszystkie operacje wykonywane są w nagłówku, a jej zasadnicza treść jest pustym blokiem
• “Funkcja” list, pozwalająca rozdzielić elementy tablicy pomiędzy ustalone zmienne za pomocą jednej instrukcji. Przydatna choćby przy przetwarzaniu rekordów baz danych czy parametrów GET i POST. Jej odpowiednikiem w innych językach jest po prostu odpowiednia seria przypisań.
  1. $tab = array("one", "two", "three");   // tablica
  2. list($one, $two, $three) = $tab;   // rozdzielenie elementów na zmienne
• Funkcja Mid z Visual Basica. Zasadniczo jej celem jest wyodrębnienie fragmentu łańcucha znaków i zwrócenie go, lecz może ona występować też po prawej stronie operatora przypisania. Wówczas służy ona do zastąpienia tegoż fragmentu innym tekstem, np.:
  1. Dim str As String
  2. str = "Ala ma kota"
  3. Mid(str, 5, 2) = "nie ma" ' i Ala już nie ma kota :)
• Sekcje initalization i finalization w modułach Delphi. Zawarty w nich kod jest wykonywany jednokrotnie, odpowiednio: przy załadowaniu modułu oraz przy “sprzątaniu” w trakcie kończenia aplikacji. Nie jest to za bardzo przydatne w kodzie obiektowym – tym bardziej używającym odśmiecacza pamięci – ale podobny mechanizm występuje też w języku Python.
• I wreszcie mój ulubiony trik, czyli tzw. swizzling z HLSL (a także shaderowego asemblera). Jest to sprytna i efektywna technika dostępu do składowych czteroelementowego wektora, pozwalająca dokonywać kilku operacji odczytu i/lub zapisu naraz. Wygląda to tak, że po kropce zamiast jednej literki oznaczającej składową (x, y, z lub w) podajemy kilka:
  1. v1.xyz = v1.w;  // wpisanie w do x, y i z
  2. v2.wzyx = v3.xyzw;  // "odwrócenie" wektora
  3. v4.xy = v4.zw;  // x = z i y = w

  Na pierwszy rzut oka może to wyglądać nieco zagadkowo, ale warto tej konstrukcji używać, gdyż karty graficzne dokonują swizzlingu albo za darmo, albo bardzo małym kosztem Zatem mamy tutaj elegancję, tajemniczość i efektywność w jednym, czyli to co programiści lubią najbardziej ;)

Ta lista na pewno jest o wiele za krótka. Jestem pewien, że programiści innych języków – tych co bardziej egzotycznych – mogliby dodać mnóstwo własnych typów.

Referencje do klas w Delphi

W ramach kontynuacji przeglądu nietypowych konstrukcji językowych – który to nieopatrznie rozpocząłem, zajmując się pętlami w Pythonie – obejrzymy sobie jeden z elementów języka Object Pascal. Są to referencje do klas, zwane też czasem metaklasami.

Ten dziwny twór działa jak odwołanie wskazujące na klasę jako typ, a nie na jej konkretny obiekt. Deklaruje się go mniej więcej w taki sposób:
[delphi]type TClass = class of TObject;[/delphi]
Zmienne należące do tak zdefiniowanego typu TClass mogą pokazywać na wszystkie klasy dziedziczące po TObject. Innymi słowy, takie zmienne są swego rodzaju dynamicznymi aliasami na nazwy klas; używając ich, nie musimy nawet wiedzieć, z jakiego typu klasą konkretną mamy do czynienia. Przypomina to oczywiście normalny dynamiczny polimorfizm obiektów, osiągany przy pomocy funkcji wirtualnych. Tutaj jest to niejako dynamiczny polimorfizm samych klas.

Użycie takiego typu referencyjnego może wyglądać choćby tak:
[delphi]type TFoo = class(TObject) // klasa dziedzicząca po TObject
// …
end;

var
AnyClass : TClass; // zmienna będąca referencją do klasy
AnyObject : TObject; // zwykłe odwołanie do obiektu
begin
AnyClass := TFoo; // referencja pokazuje na klasę TFoo
AnyObject := AnyClass.Create; // tworzy obiekt klas TFoo przy pomocy referencji
end;[/delphi]
Ten przykład pokazuje, że w Delphi przy pomocy referencji do klas możliwe jest łatwe zrealizowanie wzorca wirtualnego konstruktora. Nie musimy bowiem wiedzieć, na jaką klasę wskazuje referencja, a utworzony obiekt możemy “odebrać” posługując się zmienną typu bazowego (tutaj TObject).

Co na to C++? Nie ma tam naturalnie podobnej konstrukcji. Zbliżone do niej – w sensie możliwości korzystania z jakiegoś typu bez wiedzy, czym on naprawdę jest – są parametry szablonów. Podstawowa różnica polega jednak na tym, że szablony są rozwijane w trakcie kompilacji i “wartości” tych parametrów są niezmienne.
Nie wiem, czy można w jakiś sposób zaimplementować w C++ metaklasy o funkcjonalności zbliżonej do powyższej. Znając możliwości C++, to całkiem prawdopodobne :) Ich ewentualny brak nie były jednak jakoś szczególnie dotkliwy, gdyż większość ich zastosowań z powodzeniem daje się zastąpić szablonami lub zwykłymi funkcjami wirtualnymi.