メタプログラミング入門 - はじめに - プログラミング C#

数回に渡って、C#/.NET によるメタプログラミングを紹介して行きたい。

先ずは概要から。

メタ (meta) は、「高次な－」「超－」等の意味の接頭語で、ギリシャ語から来ている。

プログラミングでは、メタプログラミングの他、メタクラス (=クラスがインスタンスとなるクラス)、メタデータ (データが持つそのデータ自身についての付加的なデータ) 等で用いられている。

メタプログラミングは、「高次なプログラミング」ということで、「プログラムを操作したり出力したりするプログラムを書くこと」だ。

プログラムでプログラムを出力する (メタプログラミング) 方が、手でプログラムを書くよりも効率的な場合がある。

プログラミングでは、「DRY (Don't repeat yourself) の原則」というものが重視される。「繰り返しを避けるべし」というものだ。

オブジェクト指向プログラミングやジェネリックプログラミング等では、抽象化を行うことで、或る程度コードの重複を避けることができる。

だが、「銀の弾などない」という言葉が示すように、オブジェクト指向を採用すれば、或いは、ジェネリックプログラミングを用いれば、それで常にうまく行く、という訳には行かない。何か一つのパラダイムで全てが解決する、というような特効薬などなく、状況に合った幾つかの方法を組み合わせて用いる必要がある。

メタプログラミングもそうしたものの一つだ。

例えば、似たようなプログラムが繰り返し必要な場合に、メタプログラミング、即ち、「プログラムを操作したり出力したりするプログラムを書くこと」で、プログラミングの手書きソースコードの重複や手書き作業の重複を避けられる場合がある。

メタプログラミングが有効な例として、次のようなものがある。

コンパイラー/インタープリター
ホスト言語のソースコードから動的に対象言語のプログラムを生成
O/R マッパー
クラスやオブジェクトから動的に SQL を生成
XML や JSON の入出力
クラスやオブジェクト等から動的に XML や JSON を生成/XML や JSON から動的にクラスやオブジェクト等を生成
(生成するプログラムをプログラムで生成)
モック (mock) オブジェクト
モック (ユニットテストで用いられる代用のオブジェクト) を動的に生成
(生成するプログラムをプログラムで生成)
Web アプリケーション
クライアント側で動作するプログラム (HTML、JavaScript 等) をサーバー側で動的に生成

C#/.NET で、「プログラムを操作したり出力したりするプログラムを書く」為には、次のような技術が用意されている。

リフレクション
.NET の System.Reflection 名前空間の中の型を用いて、アセンブリやクラス、クラスのメンバーやインスタンスに関する情報 (メタデータ) を取得したり、メンバーを呼び出したりすることができる。
リフレクションについては、以前に何度か紹介した。
リフレクションの Emit
System.Reflection.Emit 名前空間の中の型を用いると、CIL (Common Intermediate Language: 共通中間言語) を生成することで、クラスやクラスのメンバーを動的に生成することができる。
式木
System.Linq.Expressions 名前空間の型を用いて、式木を生成し、動的にプログラムを生成することができる。
Roslyn
以前、「Roslyn による Visual Studio のアドイン」で紹介した Roslyn は、C# や Visual Basic のコンパイラーの内部の API 等を公開したものだ。
本稿執筆時点では CTP (Community Technology Preview) と呼ばれる評価版だが、これを用いて、C# のソースコードから、プログラムを生成することができる。