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C++ DSL (Domain Specific Language) 设计：用 C++ 编写领域特定语言

好的，各位观众老爷们，今天咱们聊聊一个听起来高大上，但其实挺接地气的话题：用 C++ 搞个 DSL (Domain Specific Language)。 啥是DSL？简单说，就是为了解决特定领域的问题而设计的“小语言”。就像 SQL 专门用来查数据库，HTML 专门用来描述网页结构。

为啥要搞 DSL？

你可能会问：“C++ 本身挺强大了，为啥还要费劲搞个 DSL 出来？” 问得好！ C++ 虽然强大，但它是个通用语言，啥都能干，但也意味着啥都得你亲自撸。 想象一下，你要用 C++ 写个游戏脚本，那得定义各种类、函数、状态机，写到头秃。 但如果有个专门为游戏设计的 DSL，你就可以用更简洁、更贴近游戏概念的语法来描述游戏逻辑，比如：

when player collides with enemy:
    enemy.health -= player.attack
    if enemy.health <= 0:
        destroy enemy
        player.score += 100

是不是比 C++ 代码更易读易懂？ 这就是 DSL 的魅力所在： 提高效率、降低复杂度、更贴近领域概念。

DSL 的类型：

DSL 大致可以分为两种：

  • 外部 DSL (External DSL): 这种 DSL 有自己独立的语法和解析器。 你需要单独写一个程序来解析 DSL 代码，然后生成目标代码 (比如 C++ 代码) 或者直接执行。 SQL, HTML 都属于外部 DSL。
  • 内部 DSL (Internal DSL): 这种 DSL 其实是寄生在宿主语言 (比如 C++) 上的。 它利用宿主语言的语法和特性来构造自己的语法。 换句话说，你的 DSL 代码其实就是合法的 C++ 代码，只是你用一种特定的方式来组织它。 Boost.Spirit 就是一个典型的内部 DSL 库，可以用 C++ 代码来定义语法规则。

今天咱们主要聊聊 内部 DSL，因为它更适合 C++，而且实现起来相对简单。

内部 DSL 的实现方式：

实现内部 DSL 的方法有很多，这里介绍几种常用的：

  1. 函数重载 (Function Overloading):

    这是最简单直接的方法。 通过重载函数，让它们接受不同类型的参数，从而实现不同的语法。

    例如，我们要设计一个 DSL 来描述几何图形：

    #include <iostream>
#include <string>

class Point {
public:
    double x, y;
    Point(double x, double y) : x(x), y(y) {}
};

class Circle {
public:
    Point center;
    double radius;
    Circle(Point center, double radius) : center(center), radius(radius) {}
};

class Rectangle {
public:
    Point topLeft;
    double width, height;
    Rectangle(Point topLeft, double width, double height) : topLeft(topLeft), width(width), height(height) {}
};

// DSL 函数
Point at(double x, double y) {
    return Point(x, y);
}

Circle circle(Point center, double radius) {
    return Circle(center, radius);
}

Rectangle rectangle(Point topLeft, double width, double height) {
    return Rectangle(topLeft, width, height);
}

void draw(const Circle& c) {
    std::cout << "Drawing circle at (" << c.center.x << ", " << c.center.y << ") with radius " << c.radius << std::endl;
}

void draw(const Rectangle& r) {
    std::cout << "Drawing rectangle at (" << r.topLeft.x << ", " << r.topLeft.y << ") with width " << r.width << " and height " << r.height << std::endl;
}

int main() {
    // 使用 DSL
    Circle myCircle = circle(at(10, 20), 5);
    Rectangle myRectangle = rectangle(at(0, 0), 10, 5);

    draw(myCircle);
    draw(myRectangle);

    return 0;
}

    通过 at, circle, rectangle, draw 这些函数，我们就可以用类似 DSL 的语法来描述几何图形了。

    优点： 简单易懂，容易上手。

    缺点： 语法表达能力有限，只能通过函数调用来构造语法。

  2. 操作符重载 (Operator Overloading):

    操作符重载可以让你自定义操作符的行为，从而创造更灵活的语法。

    例如，我们要设计一个 DSL 来描述状态机的状态转移：

    #include <iostream>
#include <string>

class State {
public:
    std::string name;
    State(const std::string& name) : name(name) {}
};

class Transition {
public:
    State* from;
    State* to;
    std::string event;
    Transition(State* from, State* to, const std::string& event) : from(from), to(to), event(event) {}
};

// DSL 类
class StateMachineBuilder {
public:
    State* currentState = nullptr;
    std::vector<Transition> transitions;

    StateMachineBuilder& from(State* state) {
        currentState = state;
        return *this;
    }

    StateMachineBuilder& to(State* state) {
        if (currentState) {
            transitions.emplace_back(currentState, state, ""); // 默认事件为空
            currentState = nullptr; // Reset current state
        }
        return *this;
    }

    StateMachineBuilder& on(const std::string& event) {
        if (currentState && !transitions.empty()) {
            transitions.back().event = event; // 设置最后一个转换的事件
        }
        return *this;
    }

    void printTransitions() const {
        for (const auto& transition : transitions) {
            std::cout << "From: " << transition.from->name
                      << ", To: " << transition.to->name
                      << ", Event: " << transition.event << std::endl;
        }
    }
};

// DSL 函数
State state(const std::string& name) {
    return State(name);
}

StateMachineBuilder machine() {
    return StateMachineBuilder();
}

int main() {
    // 使用 DSL
    State idle = state("Idle");
    State active = state("Active");
    State error = state("Error");

    StateMachineBuilder builder = machine();
    builder.from(&idle).on("start").to(&active)
           .from(&active).on("stop").to(&idle)
           .from(&active).on("error").to(&error);

    builder.printTransitions();

    return 0;
}

    通过 from, to, on 这些函数，我们就可以用类似 DSL 的语法来描述状态转移了。 虽然没有直接使用操作符重载，但这种链式调用的风格也算是一种变体。

    优点： 可以创造更流畅、更自然的语法。

    缺点： 操作符重载要慎用，滥用会导致代码难以理解。

  3. 模板元编程 (Template Metaprogramming):

    模板元编程是一种在编译期执行计算的技术。 它可以用来生成代码，从而实现更强大的 DSL。

    例如，我们要设计一个 DSL 来描述 SQL 查询：

    #include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

// 辅助结构体，用于存储查询信息
struct QueryData {
    std::string table;
    std::vector<std::string> columns;
    std::string whereClause;
};

// 基础类
template <typename T, typename... Args>
class QueryBuilderBase {
public:
    QueryBuilderBase(Args&&... args) : data(std::forward<Args>(args)...) {}

    QueryData data;
};

// 前向声明
template <typename T, typename... Args> class SelectBuilder;
template <typename T, typename... Args> class FromBuilder;
template <typename T, typename... Args> class WhereBuilder;

// Select 构造器
template <typename T, typename... Args>
class SelectBuilder : public QueryBuilderBase<T, Args...> {
public:
    using Base = QueryBuilderBase<T, Args...>;
    using Base::Base;

    template <typename... Columns>
    FromBuilder<SelectBuilder, Args..., std::vector<std::string>> select(Columns&&... columns) {
        (data.columns.push_back(std::forward<Columns>(columns)), ...);
        return FromBuilder<SelectBuilder, Args..., std::vector<std::string>>{data};
    }
};

// From 构造器
template <typename T, typename... Args>
class FromBuilder : public QueryBuilderBase<T, Args...> {
public:
    using Base = QueryBuilderBase<T, Args...>;
    using Base::Base;

    WhereBuilder<FromBuilder, Args...> from(const std::string& table) {
        data.table = table;
        return WhereBuilder<FromBuilder, Args...>{data};
    }
};

// Where 构造器
template <typename T, typename... Args>
class WhereBuilder : public QueryBuilderBase<T, Args...> {
public:
    using Base = QueryBuilderBase<T, Args...>;
    using Base::Base;

    // 终止构造器
    QueryData where(const std::string& condition) {
        data.whereClause = condition;
        return data;
    }
};

// 起始构造器
SelectBuilder<void> query() {
    return SelectBuilder<void>{};
}

int main() {
    // 使用 DSL
    QueryData q = query().select("id", "name").from("users").where("age > 18");

    // 打印查询信息
    std::cout << "Table: " << q.table << std::endl;
    std::cout << "Columns: ";
    for (const auto& col : q.columns) {
        std::cout << col << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    std::cout << "Where: " << q.whereClause << std::endl;

    return 0;
}

    通过模板元编程，我们可以在编译期构建查询对象，然后在运行时执行查询。

    优点： 可以实现非常强大的 DSL，性能高。

    缺点： 学习曲线陡峭，代码可读性差，编译时间长。

  4. 表达式模板 (Expression Templates):

    表达式模板是一种延迟计算的技术。 它通过构建表达式树来表示计算过程，直到需要结果时才真正执行计算。 这种技术可以用来优化数值计算，也可以用来实现 DSL。

    例如，我们要设计一个 DSL 来描述矩阵运算：

    #include <iostream>
#include <vector>

// 矩阵类
template <typename T>
class Matrix {
public:
    size_t rows, cols;
    std::vector<T> data;

    Matrix(size_t rows, size_t cols) : rows(rows), cols(cols), data(rows * cols) {}

    T& operator()(size_t row, size_t col) {
        return data[row * cols + col];
    }

    const T& operator()(size_t row, size_t col) const {
        return data[row * cols + col];
    }

    void print() const {
        for (size_t i = 0; i < rows; ++i) {
            for (size_t j = 0; j < cols; ++j) {
                std::cout << (*this)(i, j) << " ";
            }
            std::cout << std::endl;
        }
    }
};

// 表达式基类
template <typename T>
class MatrixExpression {
public:
    virtual T operator()(size_t row, size_t col) const = 0;
    virtual ~MatrixExpression() = default;
};

// 矩阵表达式包装器
template <typename T, typename Expr>
class MatrixWrapper : public MatrixExpression<T> {
public:
    const Expr& expr;

    MatrixWrapper(const Expr& expr) : expr(expr) {}

    T operator()(size_t row, size_t col) const override {
        return expr(row, col);
    }
};

// 矩阵加法表达式
template <typename T, typename A, typename B>
class MatrixSum : public MatrixExpression<T> {
public:
    const A& a;
    const B& b;

    MatrixSum(const A& a, const B& b) : a(a), b(b) {}

    T operator()(size_t row, size_t col) const override {
        return a(row, col) + b(row, col);
    }
};

// 重载加法操作符
template <typename T, typename A, typename B>
MatrixSum<T, A, B> operator+(const MatrixExpression<T>& a, const MatrixExpression<T>& b) {
    return MatrixSum<T, A, B>(a, b);
}

template <typename T>
MatrixWrapper<T, Matrix<T>> operator+(const Matrix<T>& a, const Matrix<T>& b) {
    return MatrixWrapper<T, MatrixSum<T, Matrix<T>, Matrix<T>>>(MatrixSum<T, Matrix<T>, Matrix<T>>(a, b));
}

// 赋值操作符，触发计算
template <typename T, typename Expr>
Matrix<T>& operator=(Matrix<T>& result, const MatrixWrapper<T, Expr>& expr) {
    for (size_t i = 0; i < result.rows; ++i) {
        for (size_t j = 0; j < result.cols; ++j) {
            result(i, j) = expr.expr(i, j); // 触发计算
        }
    }
    return result;
}

int main() {
    // 使用 DSL
    Matrix<double> A(2, 2);
    Matrix<double> B(2, 2);
    Matrix<double> C(2, 2);

    A(0, 0) = 1; A(0, 1) = 2; A(1, 0) = 3; A(1, 1) = 4;
    B(0, 0) = 5; B(0, 1) = 6; B(1, 0) = 7; B(1, 1) = 8;

    C = A + B; // 延迟计算

    C.print();

    return 0;
}

    通过表达式模板，我们可以在编译期构建矩阵运算的表达式树，然后在赋值时才真正执行计算。 这样可以避免不必要的临时对象，提高性能。

    优点： 可以优化数值计算，提高性能。

    缺点： 实现复杂，代码可读性差。

选择哪种方法？

选择哪种方法取决于你的 DSL 的复杂度和性能要求。 一般来说：

  • 简单的 DSL: 函数重载或操作符重载就足够了。
  • 中等复杂度的 DSL: 可以考虑使用模板元编程或表达式模板。
  • 非常复杂的 DSL: 可能需要自己写一个外部 DSL 解析器。
方法 优点 缺点 适用场景
函数重载 简单易懂，容易上手 语法表达能力有限，只能通过函数调用来构造语法 简单的配置，基本操作
操作符重载 可以创造更流畅、更自然的语法 操作符重载要慎用，滥用会导致代码难以理解 状态机，数学表达式
模板元编程 可以实现非常强大的 DSL，性能高 学习曲线陡峭，代码可读性差，编译时间长 编译期计算，代码生成
表达式模板 可以优化数值计算，提高性能 实现复杂，代码可读性差 矩阵运算，数值计算优化
外部 DSL 完全自定义语法，灵活性高 需要自己写解析器，开发成本高 非常复杂的领域特定问题

一些建议：

  • 保持简单： DSL 的目的是简化问题，而不是增加复杂度。
  • 贴近领域概念： DSL 的语法应该尽可能贴近领域概念，方便领域专家使用。
  • 提供良好的错误提示： 当 DSL 代码出错时，应该提供清晰的错误提示，帮助用户快速定位问题。
  • 考虑可扩展性： DSL 应该易于扩展，方便添加新的功能。

总结：

用 C++ 编写 DSL 是一项有趣且有用的技术。 它可以帮助你提高开发效率、降低代码复杂度、更好地表达领域概念。 虽然实现起来有一定的难度，但只要掌握了合适的方法，你就可以创造出属于自己的“小语言”，让编程更加轻松愉快！

希望今天的讲座对大家有所帮助。 谢谢大家！

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