[論文レビュー] C++ Templates as Partial Evaluation

Todd L. Veldhuizen|ArXiv.org|Oct 9, 1998

Logic, programming, and type systems参考文献 13被引用数 61

ひとこと要約

この論文は、C++テンプレートがもともとは汎用プログラミングを目的として設計されたが、部分評価を介して意図せず強力なコンパイル時計算とコード生成を可能にしていると提唱する。タイプを一次値として扱う二段階言語としてテンプレートを再解釈することで、著者たちは部分評価に基づくCatatという言語を導入し、汎用プログラミング、コンパイル時計算、コード生成を統合した、より単純で直感的な構文を実現する。

ABSTRACT

This paper explores the relationship between C++ templates and partial evaluation. Templates were designed to support generic programming, but unintentionally provided the ability to perform compile-time computations and code generation. These features are completely accidental, and as a result their syntax is awkward. By recasting these features in terms of partial evaluation, a much simpler syntax can be achieved. C++ may be regarded as a two-level language in which types are first-class values. Template instantiation resembles an offline partial evaluator. This paper describes preliminary work toward a single mechanism based on Partial Evaluation which unifies generic programming, compile-time computation and code generation. The language Catat is introduced to illustrate these ideas.

研究の動機と目的

• C++テンプレートがコンパイル時計算とコード生成に、意図せず強力な能力を発揮することを調査すること。
• これらの能力が、オフライン部分評価に類似したテンプレートインスタンス化に起因することを示すこと。
• 部分評価に基づく統一的フレームワークを提案し、汎用プログラミング、コンパイル時計算、コード生成のための構文を簡略化すること。
• 部分評価がこれらの機能を洗練された意味論で統合できるようにする、プロトタイプ言語Catatを紹介すること。

提案手法

• タイプを静的束縛を持つ一次値として扱う二段階言語としてC++テンプレートを再解釈すること。
• テンプレートインスタンス化を、静的パラメータがコンパイル時に特殊化されるオフライン部分評価プロセスとしてモデル化すること。
• 部分評価の原則に基づき、汎用プログラミング、コンパイル時計算、コード生成を統合する言語Catatを設計すること。
• 二段階関数を単一レベルのジェネレータに変換するフラットテニング変換を適用し、効率的なコンパイルを可能にすること。
• バインディング時間解析と静的パラメータの伝播を用いて、コードジェネレータの残差化を可能にすること。
• 再帰的テンプレート特殊化と静的定数を用いて、コンパイル時における制御構造と算術を実装すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C++テンプレートをどのように形式的に部分評価の一種として理解できるか？
• RQ2 部分評価に基づく統一的言語モデルは、汎用プログラミングとコンパイル時コード生成の構文と意味論を簡略化できるか？
• RQ3 テンプレートメタプログラミングを部分評価として再構築することで、表現力と保守性の面で実用的な利点が得られるか？
• RQ4 部分評価の原則をどのように用いて、高レベルなテンプレート抽象化から効率的で最適化されたコードを生成できるか？

主な発見

• C++テンプレートは、コンパイル時にべき乗、階乗、素数判定といった強力なコンパイル時計算とコード生成を意図せずサポートしている。
• 再帰的テンプレート特殊化と静的定数の使用により、コンパイル時にループや条件分岐といった制御構造を実装できる。
• テンプレートメタプログラミングは、科学計算向けに最適化されたアンロールドコードを生成でき、たとえば特殊化されたドット積アルゴリズムの生成が可能である。
• Catat言語プロトタイプは、部分評価に基づく単一のメカニズムが、汎用プログラミング、コンパイル時計算、コード生成をよりシンプルな構文ですべて統合できることを示している。
• このアプローチにより、静的構造の解釈を通じてスクリプティング機能が可能となり、ドメイン固有言語のコンパilationにFutamura的プロジェクションをサポートする。
• このようなシステムでは、リフレクションとメタレベル処理が自然な延長として実現され、実行時におけるタイプや関数の照会と操作が可能になる。