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Le préprocesseur qui rend fou

En tant que développeurs, nous avons tous déjà écrit un jour du code dont nous étions très fiers. Propre, beau, intuitif, rapide… Des gemmes parfaites, nées de notre esprit, extraites des minéraux les plus purs. Nous avons hélas aussi écrit tellement de code de “plomberie”, rarement intéressant, parfois fastidieux, que nous en avons oublié une bonne partie.

Et puis il y a le code vraiment sale, écrit la nuit dans une pièce obscure. Le genre de code qui pousse les outils qui le manipulent dans leurs retranchements, le genre de code qui grille les neurones de ceux qui essayent de le comprendre, le genre de code qui invoque Cthulhu si on le lit à l’envers.

Devinerez-vous dans quel groupe il faut ranger TOOLS_PP ?


Yo, dawg…

Il a été dit un jour que tout problème en informatique pouvait théoriquement être résolu en ajoutant un niveau d’indirection supplémentaire. Quels problèmes rencontre-t-on lorsque l’on écrit du code ? Hé bien, par exemple, le problème du code répétitif (on parle en anglais de boilerplate code). Comment peut-on s’en débarrasser ? Hé bien, on pourrait ajouter un nouveau niveau d’indirection et créer un programme qui générerait notre programme ; on pourrait écrire du code qui générerait tout ce code répétitif. Cette technique est connue, elle porte un nom : elle est l’une des facettes de la metaprogrammation.

Bien que rien n’empêche d’écrire votre propre outil de préprocessing de C++ via Python, la plupart des langages fournissent leur propre outil standard de méta-programmation. Les langages de la famille du Lisp, tel Clojure, sont connus pour leur homoiconicité, grâce à laquelle ils sont leur propre méta-language. Nimrod et Rust ont des systèmes de macros assez puissants, Haskell a le (presque standard) Template Haskell, ce qui permet dans les trois cas d’écrire, là aussi, le méta-code dans le même langage que le code.

Mais pendant que ces langages ont des outils de méta-programmation propres, élégants et vérifiables, les utilisateurs du C et du C++ doivent se contenter d’un outil un peu plus rudimentaire : le redouté préprocesseur C.


Un outil générique de préprocessing de texte ?

Les systèmes de macros tel celui de Rust sont intégrés dans les compilateurs des langages dont ils sont indissociables. À l’inverse, le préprocesseur C (ci-après abrégé en CPP) est un outil indépendant avec sa propre syntaxe. Et bien que les compilateurs C et C++ l’utilisent (ces deux langages n’ont aucun mécanisme d’include, de using ou d’import : ils dépendent de CPP pour ça), il pourrait parfaitement être utilisé pour transformer n’importe quel autre type de fichiers, n’importe quel autre langage (comme Brainfuck, au hasard)…

Sa syntaxe est relativement simple : chaque ligne commençant par un “#” est interprétée comme une directive. Il existe une poignée de directives: include, if / else / endif, et bien sûr define. Cette dernière est utilisée pour définir des macros, la fonctionnalité la plus importante de CPP. Et c’est par cette fonctionnalité qu’arrive les possibilités de code horrible, via la multiple substitution : toute macro peut être remplacée par du texte contenant une macro qui doit donc être traitée à son tour.

// This is harmless.

#define WORLD_WIDTH   42
#define WORLD_HEIGHT  64
#define WORLD_AREA   (WORLD_WIDTH * WORLD_HEIGHT)

const int area = WORLD_AREA; // expanded as (42 * 64)


// This isn't.

#define TYPES_ARRAY (Shape<int>, Shape<float>, Shape<double>)

#define TYPE1(X, Y, Z) X
#define TYPE2(X, Y, Z) Y
#define TYPE3(X, Y, Z) Z
#define APPLY(X, Y) X Y
#define SELECT(X) APPLY(X, TYPES_ARRAY)

void method1(SELECT(TYPE1) const& object); // expanded as Shape<int>

En voyant les opportunités offertes par ce genre de manipulations, quelques génies ont écrit Boost.Preprocessor, une bibliothèque contenant toutes les définitions de macros nécessaires pour créer et manipuler des tableaux, des n-uplets, des listes et des “séquences” dans le langage du préprocesseur, malgré la limite imposée par le fait que ce langage n’est pas Turing-complet, en raison de l’impossibilité de faire du remplacement récursif.


Vous avez aimé BOOST_PP ? Découvrez TOOLS_PP !

En utilisateur averti de Boost.Preprocessor, j’en ai parfois rencontré les limites : il m’y a manqué certaines fonctionnalités. C’est ainsi qu’est née TOOLS_PP, ma petite collection d’outils complémentaires à BOOST_PP. J’aime prétendre que je pourrais la soumettre à Boost, mais je n’ai pas même entrepris de me renseigner pour connaître les étapes des processus de soumission et de validation.

La fonctionnalité principale de TOOLS_PP est une très bonne illustration du code maléfique, tordu et horrible dont je parlais en introduction. J’en suis très fier. C’est une macro fonction nommée TOOLS_PP_ARRAY_SORT. (Vous pouvez en lire le code sur Github.)

#include <nauths/tools_pp/array_sort.hh>

#define TEST (9, (2, 1, 1, 4, 3, 5, 4, 5, 3))

TOOLS_PP_ARRAY_SORT(TEST)   // expands to (9, (1, 1, 2, 3, 3, 4, 4, 5, 5))
TOOLS_PP_ARRAY_SORT_U(TEST) // expands to (5, (1, 2, 3, 4, 5))

Conceptuellement, ce n’est pas si compliqué : c’est la syntaxe limitée de CPP qui rend le code si indéchiffrable. La macro se content d’itérer sur tout le tableau en entrée (grâce à BOOST_PP_WHILE), en insérant chaque élément dans un nouveau tableau accumulé. La position à laquelle il faut insérer l’élément est donnée par TOOLS_PP_LOWER_BOUND, qui ne fait rien de plus compliqué que d’itérer sur le tableau accumulé. Le principe en est illustré par le code Haskell ci-dessous, qui fait presque la même chose (mais de manière bien plus lisible).

sort [] = []
sort (x:xs) = insert x $ sort xs

insert x [] = [x]
insert x (y:ys)
  | x > y     = y:(insert x ys)
  | otherwise = x:y:ys

Au final, ce qui est vraiment dérangeant et problématique, ce n’est pas vraiment TOOLS_PP_ARRAY_SORT_U en elle-même ; c’est plutôt le fait que j’en aie eu besoin, que je l’aie UTILISÉE dans un autre projet…

Mais ça, c’est une autre histoire.

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