Djinn：一个受 Jinja2 启发的代码生成器和模板语言

代码生成器是非常有用的工具。我有时使用 jinja2 的命令行版本来生成高度冗余的配置文件和其他文本文件，但它在转换数据方面功能有限。显然，Jinja2 的作者有不同的想法，而我想要类似于 列表推导list comprehensions 或 D 语言的 可组合范围composable range 算法之类的东西。

我决定制作一个类似于 Jinja2 的工具，但让我可以通过使用范围算法转换数据来生成复杂的文件。这个想法非常简单：一个直接用 D 语言代码重写的模板语言。因为它 就是 D 语言，它可以支持 D 语言所能做的一切。我想要一个独立的代码生成器，但是由于 D 语言的 mixin 特性，同样的模板语言可以作为嵌入式模板语言工作（例如，Web 应用程序中的 HTML）。有关该技巧的更多信息，请参阅 这篇 关于在编译时使用 mixins 将 Brainfuck 转换为 D 和机器代码的文章。

像往常一样，源码在 GitLab 上。这篇文章中的例子也可以在这里找到。

Hello world 示例

这是一个演示这个想法的例子：

Hello [= retro("dlrow") ]!
[: enum one = 1; :]
1 + 1 = [= one + one ]

[= some_expression ] 类似于 Jinja2 中的 {{ some_expression }}，它在输出中呈现一个值。[: some_statement; :] 类似于 {% some_statement %} ，用于执行完整的代码语句。我更改了语法，因为 D 也大量使用花括号，并且将两者混合使模板难以阅读（还有一些特殊的非 D 指令，比如 include，它们被包裹在 [< 和 >] 中）。

如果你将上面的内容保存到一个名为 hello.txt.dj 的文件中并运行 djinn 命令行工具，你会得到一个名为 hello.txt 的文件，其中包含你可能猜到的内容：

Hello world!
1 + 1 = 2

如果你使用过 Jinja2，你可能想知道第二行发生了什么。Djinn 有一个简化格式化和空格处理的特殊规则：如果源代码行包含 [: 语句或 [< 指令但不包含任何非空格输出，则整行都会被忽略输出。空行则仍会原样呈现。

生成数据

好的，现在来讲一些更实用的东西：生成 CSV 数据。

x,f(x)
[: import std.mathspecial;
foreach (x; iota(-1.0, 1.0, 0.1)) :]
[= "%0.1f,%g", x, normalDistribution(x) ]

一个 [= 和 ] 对可以包含多个用逗号分隔的表达式。如果第一个表达式是一个由双引号包裹的字符串，则会被解释为 格式化字符串。下面是输出结果：

x,f(x)
-1.0,0.158655
-0.9,0.18406
-0.8,0.211855
-0.7,0.241964
-0.6,0.274253
-0.5,0.308538
-0.4,0.344578
-0.3,0.382089
-0.2,0.42074
-0.1,0.460172
0.0,0.5
0.1,0.539828
0.2,0.57926
0.3,0.617911
0.4,0.655422
0.5,0.691462
0.6,0.725747
0.7,0.758036
0.8,0.788145
0.9,0.81594

制作图片

这个例子展示了一个图片的生成过程。经典的 Netpbm 图像库定义了一堆图像格式，其中一些是基于文本的。例如，这是一个 3 x 3 向量的图像：

P2 # PGM 格式标识
3 3 # 宽和高
7 # 代表纯白色的值（0 代表黑色）
7 0 7
0 0 0
7 0 7

你可以将上述文本保存到名为 cross.pgm 之类的文件中，很多图像工具都知道如何解析它。下面是一些 Djinn 代码，它以相同的格式生成 Mandelbrot 集 分形：

[:
import std.complex;
enum W = 640;
enum H = 480;
enum kMaxIter = 20;
ubyte mb(uint x, uint y)
{
    const c = complex(3.0 * (x - W / 1.5) / W, 2.0 * (y - H / 2.0) / H);
    auto z = complex(0.0);
    ubyte ret = kMaxIter;
    while (abs(z) <= 2 && --ret) z = z * z + c;
    return ret;
}
:]
P2
[= W ] [= H ]
[= kMaxIter ]
[: foreach (y; 0..H) :]
[= "%(%s %)", iota(W).map!(x => mb(x, y)) ]

生成的文件大约为 800 kB，但它可以很好地被压缩为 PNG：

$ # 使用 GraphicsMagick 进行转换
$ gm convert mandelbrot.pgm mandelbrot.png

结果如下：

解决谜题

这里有一个谜题：

一个 5 行 5 列的网格需要用 1 到 5 的数字填充，每个数字在每一行中限使用一次，在每列中限使用一次（即，制作一个 5 行 5 列的拉丁方格Latin square）。相邻单元格中的数字还必须满足所有 > 大于号表示的不等式。

几个月前我使用了 线性规划linear programming（LP）。线性规划问题是具有线性约束的连续变量系统。这次我将使用混合整数线性规划mixed integer linear programming（MILP），它通过允许整数约束变量来归纳 LP。事实证明，这足以成为 NP 完备的，而 MILP 恰好可以很好地模拟这个谜题。

在上一篇文章中，我使用 Julia 库 JuMP 来帮助解决这个问题。这次我将使用 CPLEX：基于文本的格式，它受到多个 LP 和 MILP 求解器的支持（如果需要，可以通过现成的工具轻松转换为其他格式）。这是上一篇文章中 CPLEX 格式的 LP：

Minimize
  obj: v
Subject To
  ptotal: pr + pp + ps = 1
  rock: 4 ps - 5 pp - v <= 0
  paper: 5 pr - 8 ps - v <= 0
  scissors: 8 pp - 4 pr - v <= 0
Bounds
  0 <= pr <= 1
  0 <= pp <= 1
  0 <= ps <= 1
End

CPLEX 格式易于阅读，但复杂度高的问题需要大量变量和约束来建模，这使得手工编码既痛苦又容易出错。有一些特定领域的语言，例如 ZIMPL，用于以高级方式描述 MILP 和 LP。对于许多问题来说，它们非常酷，但最终它们不如具有良好库（如 JuMP）支持的通用语言或使用 D 语言的代码生成器那样富有表现力。

我将使用两组变量来模拟这个谜题：v_{r,c} 和 i_{r,c,v}。v_{r,c} 将保存 r 行 c 列单元格的值（从 1 到 5）。i_{r,c,v} 是一个二进制指示器，如果 r 行 c 列的单元格的值是 v，则该指示器值为 1，否则为 0。这两组变量是网格的冗余表示，但第一种表示更容易对不等式约束进行建模，而第二种表示更容易对唯一性约束进行建模。我只需要添加一些额外的约束来强制这两个表示是一致的。但首先，让我们从每个单元格必须只有一个值的基本约束开始。从数学上讲，这意味着给定行和列的所有指示器都必须为 0，但只有一个值为 1 的例外。这可以通过以下等式强制约束：

[i_{r,c,1} + i_{r,c,2} + i_{r,c,3} + i_{r,c,4} + i_{r,c,5} = 1]

可以使用以下 Djinn 代码生成对所有行和列的 CPLEX 约束：

/ 单元格只有一个值
[:
foreach (r; iota(N))
foreach (c; iota(N))
:]
    [= "%-(%s + %)", vs.map!(v => ivar(r, c, v)) ] = 1
[::]

ivar() 是一个辅助函数，它为我们提供变量名为 i 的字符串标识符，而 vs 存储从 1 到 5 的数字以方便使用。行和列内唯一性的约束完全相同，但在 i 的其他两个维度上迭代。

为了使变量组 i 与变量组 v 保持一致，我们需要如下约束（请记住，变量组 i 中只有一个元素的值是非零的）：

[i_{r,c,1} + 2i_{r,c,2} + 3i_{r,c,3} + 4i_{r,c,4} + 5i_{r,c,5} = v_{r,c}]

CPLEX 要求所有变量都位于左侧，因此 Djinn 代码如下所示：

/ 连接变量组 i 和变量组 v
[:
foreach (r; iota(N))
foreach (c; iota(N))
:]
    [= "%-(%s + %)", vs.map!(v => text(v, ' ', ivar(r, c, v))) ] - [= vvar(r,c) ] = 0
[::]

不等符号相邻的和左下角值为为 4 单元格的约束写起来都很简单。剩下的便是将指示器变量声明为二进制，并为变量组 v 设置边界。加上变量的边界，总共有 150 个变量和 111 个约束 你可以在仓库中看到完整的代码。

GNU 线性规划工具集 有一个命令行工具可以解决这个 CPLEX MILP。不幸的是，它的输出是一个包含了所有内容的体积很大的转储，所以我使用 awk 命令来提取需要的内容：

$ time glpsol --lp inequality.lp -o /dev/stdout | awk '/v[0-9][0-9]/ { print $2, $4 }' | sort
v00 1
v01 3
v02 2
v03 5
v04 4
v10 2
v11 5
v12 4
v13 1
v14 3
v20 3
v21 1
v22 5
v23 4
v24 2
v30 5
v31 4
v32 3
v33 2
v34 1
v40 4
v41 2
v42 1
v43 3
v44 5

real    0m0.114s
user    0m0.106s
sys     0m0.005s

这是在原始网格中写出的解决方案：

这些例子只是用来玩的，但我相信你已经明白了。顺便说一下，Djinn 代码仓库的 README.md 文件本身是使用 Djinn 模板生成的。

正如我所说，Djinn 也可以用作嵌入在 D 语言代码中的编译期模板语言。我最初只是想要一个代码生成器，得益于 D 语言的元编程功能，这算是一个额外获得的功能。

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via: https://theartofmachinery.com/2021/01/01/djinn.html

作者：Simon Arneaud 选题：lujun9972 译者：hanszhao80 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国 荣誉推出