C++ 中构建 DSL（领域特定语言）

DSL 简介

领域特定语言 (DSL) 是一种特定于某个领域或问题领域的编程语言，它比通用编程语言 (GPL) 提供了更高的效率和抽象性。与 C++ 或 Python 等通用的、面向机器的 GPL 不同，后者涵盖了广泛的有用应用程序，DSL 旨在简化特定领域的工作，例如使用 SQL 的数据库查询、包括 gnuplot 在内的数据可视化，或者 HTML 等 Web 开发。

DSL 可以是独立的，也可以作为嵌入式类型与另一个宿主语言交互。它们提供的高度可表达性是最显著的优势，使领域专家能够很好地工作，而无需深入研究编程的细节。然而，采用 DSL 开发方法也有其缺点，因为开发需要时间，并且存在由于与现有系统链接而导致系统不完整的风险。在 C++ 中，由于使用了模板、运算符重载和元编程等高级语言特性，DSL 的后台开发被证明非常有效，这使得在某个领域内工作的方式更加简单。

DSL 的关键设计原则

1. 清晰性和简洁性： DSL 应易于非程序员领域专家使用，只需最少的培训即可。一切都应尽可能简单，只在必要时引入概念。
2. 表达力： DSL 的语法和构造应在体现领域核心概念的同时，力求功能性。允许用户以他们认为最好的方式解决问题。
3. 一致性： 应遵守特定的语法语义和结构，以促进语言的学习。过程和命令应在给定上下文中设计，并以相同的方式执行。
4. 错误处理和反馈： 在出现错误使用时，应提供详细的指示说明如何纠正问题。通过验证引导用户进行正确的输入和正确的语法。
5. 性能增强： 确保 DSL 的性能在其领域内令人满意。提高在特定时间内完成任务的方式，并减少浪费。
6. 支持可扩展性和可伸缩性： 对于在 DSL 上完成的设计，其方式应确保不会影响到之前所做的一切。随着领域功能的变化，允许以模块化的方式添加附加功能。
7. 与其他系统的兼容性： 它支持与宿主语言或系统的无缝交互。
8. 以用户为中心： 它与相关专家合作，以确保 DSL 在现实生活中可用。将进行可用性测试以改进语法和用户功能。

遵循这些设计目标，可以实现技术实现的混合以及 DSL 所构建的目标领域固有的目标问题解决方案。

在 C++ 中构建 DSL 的步骤

某些基本步骤指导了使用 C++ 创建领域特定语言的过程，每个步骤都侧重于定义和开发预期用于服务特定领域的语言的各个方面。以下是分步说明。

1. 确定领域和目标： 说明语言的开发规模以及 DSL 将要解决的特定问题。让领域专家参与到过程中，以收集相关信息并理解涉及的过程。明确说明 DSL 的限制和目标。
2. 规划 DSL 的语法： 决定是独立的 DSL（不在 C++ 内）还是嵌入式 DSL（在 C++ 内）。构建一种对目标用户具有吸引力且清晰的语法。用文本形式描述语法，例如 BNF 或 EBNF。
3. 编写词法分析器（分词器）： 将给定的输入字符串分解为标记（例如，关键字、标识符、运算符）。使用 Flex 等工具，用 C++ 编写词法分析器，或使用另一个词法分析器。处理边缘情况和未定义的标记。
4. 开发语法分析器： 创建一个语法分析器，它检查标记流以评估标记的顺序是否正确。使用 ANTLR、Boost.Spirit 等语法分析器生成工具，或从头开始编写递归下降语法分析器。生成抽象语法树 (AST) 来表示程序中构造的层次结构。
5. 构建解释器或编译器： 对于解释型 DSL，设计一个解释器来执行 AST。对于编译型 DSL，执行代码生成，生成中间代码或目标代码，例如 C++ 或汇编代码。在需要的地方进一步增强执行或编译。
6. 错误处理： 为语法错误、语义错误和运行时错误引入有帮助且全面的错误消息。添加机制来帮助用户初步纠正检测到的问题。
7. 使用领域特定方面进行增强： 嵌入有利于该领域的适当功能。使用 C++ 的特性（如运算符重载和模板或 lambda 表达式）来增强 C++ 中的 DSL，以获得更好的表达力。
8. 对 DSL 进行测试： 实现测试用例和单元测试，包括词法分析器、语法分析器和运行时等组件。进行集成测试以确认 DSL 作为完整包的可用性。在给定的操作领域案例的上下文中评估 DSL。
9. 整合和优化： 执行 DSL 的性能分析和优化调优。禁止过于复杂的语法和不必要的功能，并根据用户需求进行改进。在进行修订时，确保保护系统早期版本。
10. 文档和示例： 准备语言的详细描述，注意其语法、特性和应用。包含示例脚本和场景，以方便快速使用 DSL。

DSL 的类型

1. 嵌入式领域特定语言（内部 DSL）

• 通常作为现有 GPL 的一部分进行设计和构建。
• 使用底层语言的语法和构造来描述特定于领域的元素。
• 例如： C# 中的 LINQ 或 C++ 中的查询构建框架。

优点

• 完美契合其相关的语言。
• 使用宿主语言提供的工具（例如，IDE 和调试器）。

缺点

• 受到宿主语言的限制和约束。

2. 独立领域特定语言（外部 DSL）

• 它们是独立的，拥有自己的语法、语义和工具。
• 此类语言通常需要特定的解析和转换设备，例如解析器、解释器和编译器。
• 例如： SQL 用于数据库，HTML 用于网页。

优点

• 不受任何语法或功能限制的影响。
• 分别针对给定领域的最佳用户交互进行了优化。

缺点

• 在工具和环境方面，开发成本更高。
• 与其他系统的集成困难。

使用 C++ 构建 DSL 的优点

1. 高性能
   • C++ 能够实现接近硬件的执行。因此，用它构建的 DSL 可以获得最佳的运行时性能。
   • 非常适合模拟、实时系统、图形和其他性能驱动的应用。
2. 广泛的语言特性
   • 模板和可变参数模板：支持编译时开发和表达力强的 DSL 所需的通用组件。
   • 运算符重载：使得为用户创建面向领域、简洁、易读的文本成为可能。
   • Lambda 表达式和逻辑实现：有助于简洁明了地实现嵌入式 DSL 的逻辑。
3. 嵌入式 DSL 的空间优化
   • DSL 的实现不需要构建新的代码库，因为 C 版的易用性促进了与外部 DSL 的混合。
   • 开发人员可以利用更复杂的 C++ 代码来实现代码内的 DSL 风格的编写。
4. 使用现有基础设施的可能性
   • 借助这些工具，可以创建词法分析器、语法分析器和编译器 - Boost.Spirit、LLVM。
   • 由于支持工具（IDE、调试器、性能分析器等）的存在，开发和调试变得更加容易。
5. 兼容性
   • C++ 在 DSL 中提供了有效的调优，尤其是在跨语言（例如 C、Python）的情况下，当它需要与任何其他应用程序或语言协同工作时。
   • 在为现有应用程序和流程开发 DSL 方面，易用性得到提高。
6. 适应性
   • C++ DSL 可以在多种类型的系统上执行，包括但不限于嵌入式系统和云。
   • 确保在不同区域和设备上的反向可用性。
7. 编译时优化
   • 依赖静态类型和编译时评估来实现 DSL 应用程序的有效且少出错的设计。
   • 编译技术使得在 DSL 的实际执行之前计算 DSL 的某些函数成为可能，例如 constexpr 和内联函数。
8. 增长潜力
   • C++ 在管理高度可移植的复杂系统等领域表现出色。
   • C++ 支持的模块化设计使得在需求不断发展的情况下，可以添加功能或扩展 DSL。
9. 社区和资源
   • 庞大的开发人员社区和丰富的资源为解决 DSL 开发过程中的挑战提供了支持。
   • 可以获得用于构建 DSL 的现成示例和模式，以供学习和获取灵感。

这些优势使得 C++ 成为 DSL 开发的引人注目的选择，尤其是在性能、集成和可伸缩性至关重要的情况下。

使用 C++ 构建 DSL 的缺点

1. 语言通用性
   • 非 COD 情况的强调： C++ 的复杂性级别对于试图设计特定语言的普通初学者来说是困难的。
   • 冗长： C++ 代码可能显得冗长且信息量大，这可能会使重点 DSL 的实现变得复杂。
2. 缺乏对 DSL 开发具有主动内部支持的语言
   • Phillips & McGregor (2007) 提供了具有内置功能的语言，旨在创建 DSL，不像 C++ 那样不提供支持。整体处理包括对句法结构的操纵。
   • 构建这些东西（在努力方面）会付出巨大的代价。
3. 开发时间
   • 高度风格化的组成 C++) 和围绕（嵌入）语言模型意味着用 C++ 编程语言编写 DSL 会增加开发时间 - 因为您必须考虑内存使用指针等低级问题。
   • 在 DSL 要独立的情况下也适用，在这种情况下，必须投入大量精力来开发诸如 pinchers、编译器和调试器之类的工具。
4. 错误处理复杂性
   • Petriov 的定义： 将异常分为几种类型，即普通异常、模板特化异常和模板元编程异常，其中最后一种在 C++ 中最为常见，并拥有专门的调试。
   • 在为 DSL 提供合理的错误消息时，必须面对一些困难。
5. 语法灵活性有限
   • 采用 C++ 来制作嵌入式 DSL 可能会受到 C++ 语言本身规则和语法的限制，从而导致这些 DSL 无效。
   • 强加的语法可能导致巧妙但执行起来很麻烦的变通方法。
6. 某些情况下的性能开销
   • 虽然 C++ 编程语言很高效，但一些问题，例如模板构造的夸大和运行时类型解析，可能会危及用该语言编写的程序的性能。
   • 通过解释器合并到 C++ 中的 DSL 的性能无法接近没有有效优化的内联编译代码的性能。
7. 可移植性挑战
   • C++ 的通用成员状态造成的旅行不一致性经过全面衡量和适度发布，额外的国家参与依赖项或能够设计构造的库（例如 LLVM）。
   • 这包括使用两个不同的编译器时，例如 GCC 或 MSVS。
8. 印度特色
   • 与 Python 等语言相比，C++ 的动态性要差得多。因此，实现动态类型或运行时代码生成变得复杂。
   • 通常，对 DSL 的修改或添加也需要重新编译。
9. 工具开销
   • Boost.Spirit 等库很有用。但是，它们并非没有学习曲线和复杂性。
   • 使用 C++ 领域特定语言的可移植性问题仍然存在，尤其是在为 C++ DSL 工具链建立基础设施方面。
10. 维护挑战
    • 改变单一领域特定语言的原理模仿了系统处理的线性变换，提高了模型操作的生产力。
    • 有时，处理被占用的或集成的 DSL 运行时/解释器并修复其错误是一个漫长而乏味的过程。

尽管存在这些缺点，但选择 C++ 作为构建 DSL 的武器通常是由对速度的需求和其他因素决定的，例如存在现有的 C++ 代码，而该语言的优势允许轻松集成。

DSL 的实际应用

1. 数据库管理
   • SQL（结构化查询语言）
   • 用于访问和修改关系数据库的语言。
   • 例如，MySQL、PostgreSQL 和 Oracle 数据库。
2. Web 开发
   • HTML（超文本标记语言）： 构成网页的语法。
   • CSS（层叠样式表）： 网页设计语言。
   • GraphQL： 一种 API 查询语言，允许客户端选择特定数据。
3. 构建和配置管理
   • Makefile： 用于管理复杂应用程序构建过程的工具。
   • Dockerfile： 一个文件，用于指定应用程序如何在容器中运行。
4. 数据科学和可视化
   • R 和 ggplot2： R 是一种用于统计计算和图形的语言和环境。
   • Matplotlib (Python)： 集成绘图和图表功能的 Python 库。
5. 机器学习
   • Keras： 一个使用 Python 进行深度学习模型开发的高级语言。
   • TensorFlow Graphs： 构建描述机器学习中计算过程的图。
6. 图形和游戏开发
   • GLSL： 称为 OpenGL 着色语言，用于创建 3D 图形的顶点和片段着色器。
   • 在虚幻引擎中用于编写游戏机制的视觉编程语言，称为 Blueprints。
7. 金融系统
   • Quant DSLs： 为评估复杂定价工具和风险而创建的领域特定语言。
   • 现代范例
8. 测试和质量保证
   • Gherkin（用于 Cucumber）： 一种促进以纯文本形式编写 BDD 场景的语言。
   • Google Test (C++)： 用于单元测试的领域特定语言。
9. 文本和文档处理
   • LaTeX： 用于准备科学和技术论文的领域特定语言。
   • Markdown： 一种简单的文本标记方式，以便对其进行格式化。
10. 嵌入式系统和物联网
    • Arduino DSL： 一种用于编程硬件项目的相对简单的语言。
    • Verilog 和 VHDL： 两种密切相关的用于数字设计的语言。
11. 自动化和脚本
    • 正则表达式： 这意味着使用某些规则或模式来转换或搜索文本。
    • Ansible Playbooks： 逐步抽象定义并将其转化为代码，以实现系统同构自动化。
12. 领域 - 技术应用
    • MATLAB： 这是一种用于数值分析和工程计算的语言。
    • SPICE： 它有助于分析和设计电子电路，主要用于电气工程。

DSL 对于用户总是很方便，特别是在时间、空间和计算受限的领域，使用户能够专注于解决该领域的问​​题，而不必担心如何用编程语言编写代码。

结论

总之，领域特定语言 (DSL) 用于极大地简化许多方面，例如数据库、Web 和应用程序开发，甚至机器学习。与通用语言相比，领域特定语言更抽象，使用的词汇更少但更精确，并且执行的功能允许特定领域的专家在没有太多编程技能的情况下有效使用它们。

使用 C++ 进行 DSL 开发的优点包括高性能、深度集成功能以及广泛的库和工具。然而，这也带来了更高的复杂性、更长的开发时间和维护成本的挑战。

基本的 D DSL 设计原则，包括清晰性、表达力和可扩展性，有助于设计者构建符合领域要求的 DSL，同时易于使用。无论它们是嵌入到另一个应用程序中还是独立使用，DSL 在提高生产力方面都卓有成效，并使从业人员能够专注于他们的主要活动，因此在当今的计算工程中非常有用。