科學計算語言Julia及MWORKS實踐 課件 15-元編程

四、Julia語言進階4.3元編程元編程是指編程語言可以通過編寫程序生成滿足用戶需求的程序。Julia語言把代碼表示為語言中的數(shù)據(jù)結構，支持元編程。在程序運行時和編譯時，元編程可以修改對象和添加方法等，使得編程更靈活。元編程的程序表示創(chuàng)建表達式并求值生成代碼利用宏實現(xiàn)元編程生成函數(shù)運行時反射四、Julia語言進階4.3.1程序表示Julia代碼的執(zhí)行過程分為兩個階段：第一將字符串解析為抽象語法樹結構解析原始代碼階段和第二執(zhí)行已解析代碼階段。利用元編程可以在代碼執(zhí)行之前，對已解析的代碼進行修改。修改后的結果類型為Expr類型。julia>str1="1+2""1+2"julia>expr1=Meta.parse(str1) #使用Meta.parse解析字符串:(1+2)julia>typeof(expr1) #解析輸出的結果類型為表達式類型Expr四、Julia語言進階4.3.1程序表示Expr類型包含符號對象和表達式，表達式可能包含符號、其它表達式或字面量。julia>fieldnames(typeof(expr1))(:head,:args)julia>s1=expr1.head#標識表達式類型的Symbol:calljulia>typeof(s1)Symboljulia>expr1.args#表達式參數(shù)數(shù)組3-elementVector{Any}::+12四、Julia語言進階4.3.1程序表示Expr類型包含符號對象和表達式，表達式可能包含符號、其它表達式或字面量。julia>typeof(expr1.args[1])#判斷表達式參數(shù)類型Symboljulia>typeof(expr1.args[2])Int64julia>typeof(expr1.args[3])Int64julia>dump(expr1)#使用dump函數(shù)查看Expr對象Exprhead:Symbolcallargs:Array{Any}((3,))1:Symbol+2:Int6413:Int642四、Julia語言進階4.3.1程序表示使用Expr函數(shù)構造表達式，與parse所解析的表達式等價。julia>expr1=Meta.parse(str1) :(1+2)julia>expr2=Expr(:call,:+,1,2):(1+2)julia>expr1==expr2truejulia>s2=:sym1:sym1julia>typeof(s2)Symboljulia>s2==Symbol("sym1")true使用使用:構造與使用Symbol函數(shù)構造等價。四、Julia語言進階4.3.1程序表示使用Symbol函數(shù)將多個字符串聯(lián)。julia>Symbol("MWORKS","_","Syslab"):MWORKS_Syslabjulia>Symbol(:MWORKS,"_","Syslab"):MWORKS_Syslabjulia>:MWORKS_Syslab:MWORKS_Syslabjulia>s3=Symbol("MWORKS",".","Syslab")Symbol("MWORKS.Syslab")julia>dump(s3)SymbolMWORKS.Syslab標識符“_”串聯(lián)字符串無效標識符“.”需要用雙引號。四、Julia語言進階4.3.2表達式與求值通過符號:構造表達式，稱為引用。復雜表達式通過引用符號、其它表達式和字面量值構造。julia>expr3=:(a+b/c-3):((a+b/c)-3)julia>expr3==Expr(:call,:-,Expr(:call,:+,:a,Expr(:call,:/,:b,:c)),3)true用符號:構造復雜表達式比Expr函數(shù)構造簡單。四、Julia語言進階4.3.2表達式與求值使用符號$將數(shù)插入表達式，稱為插值。未被引用的表達式不能被插值。julia>c=11julia>expr4=:(a+b/$c-3)#向被引用表達式插值:((a+b/1)-3)julia>a+b/$c-3#向未被引用表達式插值ERROR:syntax:"$"expressionoutsidequotearoundREPL[61]:1Stacktrace:[1]top-levelscope@REPL[61]:1四、Julia語言進階4.3.2表達式與求值將多個表達式變成另一個表達式的參數(shù)時，可以使用$(name…)構造。例如，將數(shù)組中的表達式插入到函數(shù)f的輸入?yún)?shù)位置julia>arry1=[:a,:b,:c,:d];julia>:(f(1,$(arry1:(f(1,a,b,c,d))四、Julia語言進階4.3.2表達式與求值引用多個表達式，用關鍵詞quote構造新的表達式。julia>expr5=quotex=1y=4x-yendquote#=REPL[57]:2=#x=1#=REPL[57]:3=#y=4#=REPL[57]:4=#x-yendjulia>expr6=quotequotex=1y=4x-yendendquote#=REPL[79]:2=#$(Expr(:quote,quote#=REPL[79]:3=#x=1#=REPL[79]:4=#y=4#=REPL[79]:5=#x-yend))endqutoe支持嵌套引用四、Julia語言進階4.3.2表達式與求值用關鍵詞eval求取表達式的值。julia>expr7=:(2-9):(2-9)julia>eval(expr7)-7julia>expr8=:(a*b)#含未賦值變量的表達式:(a*b)julia>eval(expr8)ERROR:UndefVarError:bnotdefinedjulia>a=6;b=3;#在全局作用域內(nèi)對表達式的變量賦值julia>eval(expr8)18julia>a=3;julia>eval(expr8)9注意：未賦值的表達式不能求值。四、Julia語言進階4.3.2表達式與求值先賦值的變量，用Expr構造表達式后，變量值不可修改。julia>a9=8;julia>expr9=Expr(:call,:-,a9,:b9):(8-b9)julia>a9=0;b9=3;julia>eval(expr9)5julia>b9=4;eval(expr9)4a9值在構造表達式之前賦值修改a9值表達式的值未改變未賦值的變量值可修改四、Julia語言進階4.3.3代碼生成當需要編寫重復的代碼、樣板形式代碼時，可以使用元編程大幅度提升編程效率。在Julia語言中，使用插值和求值來實現(xiàn)代碼生成。julia>op=:+;julia>quote($op)(a,b,c)=($op)(($op)(a,b),c)endquote#=REPL[28]:2=#a+b+c=begin#=REPL[28]:2=#(a+b)+cendendjulia>eval(quote($op)(a,b,c)=($op)(($op)(a,b),c)end)+(genericfunctionwith1method)用符號:和和插值實現(xiàn)連加用關鍵詞引用和插值實現(xiàn)連加四、Julia語言進階4.3.3代碼生成當需要編寫重復的代碼、樣板形式代碼時，可以使用元編程大幅度提升編程效率。在Julia語言中，使用插值和求值來實現(xiàn)代碼生成。julia>forop=(:+,:-,:*,:/,:&&,:||)#需要多個不同的操作時，用for循環(huán)。eval(quote($op)(a,b,c)=($op)(($op)(a,b),c)end)end

julia>forop=(:+,:-,:*,:/,:&&,:||)#使用符號:構造，程序更簡潔。eval(:(($op)(a,b,c)=($op)(($op)(a,b),c)))endjulia>forop=(:+,:-,:*,:/,:&&,:||)#使用@eval宏。@eval($op)(a,b,c)=($op)(($op)(a,b),c)end四、Julia語言進階4.3.4宏宏可以實現(xiàn)表達式的替換，不需要使用eval就可以返回表達式。用關鍵詞macro構造宏，聲明語法：macromac_name(para_name)…end構造宏，mac_name為宏名稱，para_name為輸入?yún)?shù)。julia>macromac1()#構造無輸入?yún)?shù)的宏。return:(println("MWORKS.Syslab"))end@mac1(macrowith1method)julia>macromac2(str)#構造有輸入?yún)?shù)的宏。return:(println("MWORKS.Syslabbasedon",$str))end@mac2(macrowith1method)四、Julia語言進階4.3.4宏調(diào)用宏的2種方法@mac_namepara_name1para_name2…#使用空格分開參數(shù)名稱。@mac_name(para_name1,para_name2…)#使用逗號分開參數(shù)名稱。julia>macromac3(para1,para2,para3)return:(println($para1,$para2,$para3))end@mac3(macrowith1method)julia>@mac3"MWORKS.Syslab"2023"a"MWORKS.Syslab2023ajulia>@mac3("MWORKS.Syslab",2023,"a")MWORKS.Syslab2023a注意：宏名與()之間不能有空格四、Julia語言進階4.3.4宏數(shù)組做參數(shù)時，先將數(shù)組代入宏計算并返回值，再執(zhí)行剩余表達式。julia>macromac4(para)return:($para.+1)end@mac4(macrowith1method)julia>@mac4[12]*2#第一種調(diào)用方式，宏名和數(shù)組之間沒有空格。1×2Matrix{Int64}:46#先計算[12].+1,再計算返回值*2。julia>@mac4([12])*2#第二種調(diào)用方式，宏名和括號之間沒有空格。1×2Matrix{Int64}:46#先計算[12].+1,再計算返回值*2。julia>@mac4[12]*2#先計算[12]*2,再計算返回值.+1。1×2Matrix{Int64}:35注意：有空格時，整體做為宏的輸入?yún)?shù)。四、Julia語言進階4.3.4宏使用show函數(shù)可導出宏的參數(shù)，但show函數(shù)必須在宏內(nèi)部。julia>macromac5(para)show(para)end@mac5(macrowith1method)julia>@mac5(x):xjulia>@mac5(2*3):(2*3)四、Julia語言進階4.3.4宏衛(wèi)生宏，又稱為干凈宏，可避免展開后的表達式中變量與全局變量名稱沖突的問題。宏內(nèi)部只可使用關鍵詞local聲明局部變量，不能使用eval，可使用關鍵詞esc轉(zhuǎn)義以避免宏變大。例如計算時間的宏：macromac7(ex)returnquotelocalt0=time_ns()localval=$(esc(ex))localt1=time_ns()println("elapsedtime:",(t1-t0)/1e9,"seconds")valendend四、Julia語言進階4.3.4宏宏的派發(fā)，同一個宏可以有多個方法，調(diào)用宏時可以實現(xiàn)多重派發(fā)。julia>macromac8(para1)println("FirstMethod")return:(println($para1))end@mac8(macrowith1methods)julia>macromac8(para1,para2)println("SecondMethod")return:(println($para1,$para2))end@mac8(macrowith2methods)julia>@mac8("Syslab")FirstMethodSyslabjulia>@mac8(9)FirstMethod9julia>@mac8("MWORKS","Syslab")SecondMethodMWORKSSyslabSyslab程序運行結果為：四、Julia語言進階4.3.5非標準字符串字面量以標識符為前綴的字符串字面量被稱為非標準字符串字面量。以r為前綴的正則表達式，并非是字符串。例如：r"\\Qx\\E"調(diào)用宏@r_str創(chuàng)建正則表達式julia>@r_str("\\Qx\\E")r"\Qx\E"julia>x=3;julia>@r_str("\\Q$x\\E")ERROR:MethodError:nomethodmatchingRegex(::Expr)julia>Regex("\\Q$x\\E")r"\Q3\E"不能利用宏直接插值，用Regex函數(shù)實現(xiàn)插值并構造正則表達式。四、Julia語言進階4.3.6生成函數(shù)宏@generated定義生成函數(shù)。生成函數(shù)與普通函數(shù)不同，調(diào)用生成函數(shù)返回的是表達式，普通函數(shù)返回的是值。定義和調(diào)用生成函數(shù)julia>@generatedfunctionfun1(x)return:(x*x)endfun1(genericfunctionwith1method)julia>fun1(5)25julia>fun1("Syslab")"SyslabSyslab"在普通函數(shù)關鍵詞function前加@generated宏。四、Julia語言進階4.3.6生成函數(shù)向普通函數(shù)中添加新方法julia>fun2(x)="MWORKS";julia>@generatedfun3(x)=fun2(x);#不允許向fun2()添加新方法julia>@generatedfun4(x)=:(fun2(x));#允許向fun2()添加新方法julia>a1=fun3(1)"MWORKS"julia>b1=fun4(1)"MWORKS"julia>fun2(x::Int64)="Syslab"#添加新方法fun2(genericfunctionwith2methods)julia>a2=fun3(1)"MWORKS"julia>b2=fun4(1)"Syslab"四、Julia語言進階4.3.7運行時反射Julia的元編程支持運行時反射，例如可以查看類型字段、類型的類型、類型的亞型，還可查看函數(shù)所包含的方法和函數(shù)內(nèi)部檢查。julia>structMytypex::Int64yendjulia>typeof(Mytype)#查看Mytype的類型DataTypejulia>fieldnames(Mytype)#查看類型字段(:x,:y)julia>Mytype.types#字段類型儲存在types變量中svec(Int64,Any)查看類型字段和類型的類型julia>subtypes(AbstractFloat)6-elementVector{An