[논문 리뷰] C++ Templates as Partial Evaluation

Todd L. Veldhuizen|ArXiv.org|1998. 10. 09.

Logic, programming, and type systems참고 문헌 13인용 수 61

한 줄 요약

이 논문은 C++ 템플릿이 원래는 일반화 프로그래밍을 위해 설계되었지만, 부분 평가를 통해 놀랍도록 강력한 컴파일 타임 계산과 코드 생성 기능을 뜻하지 않게 가능하게 한다고 제안한다. 템플릿을 타입이 일급 값인 두 수준의 언어로 재해석함으로써, 저자들은 부분 평가 기반의 Catat라는 언어를 도입하며, 일반화 프로그래밍, 컴파일 타임 계산, 코드 생성을 더 단순하고 직관적인 문법으로 통합한다.

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.

연구 동기 및 목표

• C++ 템플릿이 컴파일 타임 계산과 코드 생성을 위해 뜻하지 않게 강력한 기능을 제공하는 이유를 탐구한다.
• 이러한 기능들이 오프라인 부분 평가와 유사한 템플릿 인스턴시에이션 구조에서 비롯된다는 것을 보여준다.
• 부분 평가 기반의 통합 프레임워크를 제안하여 일반화 프로그래밍, 컴파일 타임 계산, 코드 생성의 문법을 단순화한다.
• 부분 평가 원리를 바탕으로 한 더 깔끔한 의미론을 갖춘 Catat라는 프로토타입 언어를 소개한다.

제안 방법

• 타입이 정적 바인딩을 갖는 일급 값인 두 수준의 언어로 C++ 템플릿을 재해석한다.
• 템플릿 인스턴시에이션을 오프라인 부분 평가 과정으로 모델링하며, 정적 매개변수는 컴파일 타임에 특수화된다.
• 일반화 프로그래밍, 컴파일 타임 계산, 코드 생성을 통합하기 위해 부분 평가 원리를 기반으로 설계된 Catat를 도입한다.
• 두 수준의 함수를 단일 수준의 생성자로 변환하기 위해 평탄화 변환을 적용하여 효율적인 컴파일을 가능하게 한다.
• 바인딩 시간 분석과 정적 매개변수 전파를 사용하여 코드 생성기의 잔여화를 가능하게 한다.
• 재귀적 템플릿 전문화와 정적 상수를 활용해 컴파일 타임에 제어 구조와 산술 연산을 실행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 C++ 템플릿을 어떻게 형식적으로 부분 평가의 한 형태로 이해할 수 있는가?
• RQ2 부분 평가 기반의 통합 언어 모델이 일반화 프로그래밍과 컴파일 타임 코드 생성의 문법과 의미론을 단순화할 수 있는가?
• RQ3 표현력과 유지보수성 측면에서, 템플릿 메타프로그래밍을 부분 평가로 재구성함으로써 실용적인 이점은 무엇인가?
• RQ4 부분 평가 원리를 어떻게 활용해 고수준의 템플릿 추상화에서 효율적이고 특수화된 코드를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• C++ 템플릿은 의도치 않게 강력한 컴파일 타임 계산과 코드 생성을 지원하며, 거듭제곱, 팩토리얼, 소수성 검사 등의 계산을 컴파일 타임에 수행할 수 있다.
• 재귀적 템플릿 전문화와 정적 상수의 사용을 통해 컴파일 타임에 반복문과 조건문과 같은 제어 구조를 구현할 수 있다.
• 템플릿 메타프로그래밍은 과학 계산 분야에서 최적화된 언롤드된 코드를 생성할 수 있으며, 예를 들어 특수화된 내적 알고리즘을 생성할 수 있다.
• Catat 언어 프로토타입은 부분 평가 기반의 단일 메커니즘이 일반화 프로그래밍, 컴파일 타임 계산, 코드 생성을 더 단순한 문법으로 통합할 수 있음을 보여준다.
• 이 방법은 정적 구조의 해석을 통해 스크립팅 기능을 제공하며, 도메인 특화 언어 컴파일링을 위한 퓨타무라 스타일의 투영을 지원한다.
• 반사 및 메타레벨 처리는 이러한 시스템에서 자연스럽게 확장되며, 런타임에 타입과 함수를 검사하고 조작할 수 있게 한다.