由浅入深学习 Lisp 宏之实战篇
2018-07-20 来源：编程学习网
在上一篇文章中，介绍了宏（macro）的本质： 在编译时期运行的函数 。宏相对于普通函数，还有如下两条特点：
- 宏的参数不会求值（eval），是 symbol 字面量
- 宏的返回值是 code（在运行期执行），不是一般的数据。
这两条特点也决定了是需要用普通函数还是宏来解决问题，这里面也蕴含着 code as data 的思想，也被称为同像性（homoiconicity，来自希腊语单词 homo，意为与符号含义表示相同）。同像性使得在 Lisp 中去操作语法树（AST）显得十分自然，而这在非 Lisp 语言只能由编译器（Compiler）去操作。
这篇文章侧重于实战，用具体示例介绍写宏的技巧与注意事项，希望读者能把本文的 Clojure 代码自己手动敲到 REPL 里面去运行、调试，直到完全理解。
Code as data
首先看一个简单的程序片段
(defn hello-world []
(println "hello world"))
上面的代码首先是一个大的 list，里面依次包含了2 个 symbol，1 个 vector，1 个 list，这个嵌套的 list 又包含了 1 个 symbol，1 个 string。可以看到，这些都是 Clojure 里面的基本数据类型，这就给我们提供了一个很好的写宏基础。Clojure 里面很多控制结构都是用宏来实现，比如 when ：
(defmacro when [test & body]
(list 'if test (cons 'do body)))
' 代表 quote，作用是阻止后面的表达式求值，如果不使用 ' 的话，在进行 (list 'if test ...) 求值时会报错，因为没发对 special form 单独进行求值，这里需要的仅仅是 if 字面量，list 函数执行后的结果（是一个 list）作为 code 插入到调用 when 的地方去执行。
(when (even? (rand-int 100))
(println "good luck!")
(println "lisp rocks!"))
;; when 展开后的形式
(if (even? (rand-int 100))
(do (println "good luck!") (println "lisp rocks!")))
syntax-quote & unquote
对于一些简单的宏，可以采用像 when 那样的方式，使用 list 函数来形成要返回的 code，但对于复杂的宏，使用 list 函数来表示，会显得十分麻烦，看下 when-let 的实现：
(defmacro when-let [bindings & body]
(let [form (bindings 0) tst (bindings 1)]
`(let [temp# ~tst]
(when temp#
(let [~form temp#]
[email protected])))))
这里返回的 list 使用 ` （backtick）进行了修饰，这是 syntax-quote，它与 quote ' 类似，只不过在阻止表达式求值的同时，支持以下两个功能：
- 表达式里的所有 symbol 会在当前 namespace 中进行 resolve，返回 fully-qualified symbol
- 允许通过 ~ (unquote) 或 [email protected] (slicing-unquote) 阻止部分表达式的 quote，以达到对它们求值的效果
可以通过下面一个例子来了解它们之间的区别：
(let [x '(* 2 3) y x]
(println `y)
(println ``y)
(println ``~y)
(println ``~~y)
(println (eval ``~~y))
(println `[[email protected]]))
;; 依次输出
user/y
(quote user/y)
user/y
(* 2 3)
6
[* 2 3]
这里尤其要注意理解嵌套 syntax-quote 的情况，为了得到正确的值，需要 unquote 相应的次数（上例中的第四个println），这在 macro-writing macro 中十分有用，后面会介绍的。
最后需要注意一点，在整个 Clojure 程序生命周期中， (syntax-)quote , (slicing-)unquote 是 Reader 来解析的，详见编译器工作流程。可以通过 read-string 来验证：
user> (read-string "`y")
(quote user/y)
user> (read-string "``y")
(clojure.core/seq (clojure.core/concat (clojure.core/list (quote quote))
(clojure.core/list (quote user/y))))
user> (read-string "``~y")
(quote user/y)
user> (read-string "``~~y")
y
Macro Rules of Thumb
在正式实战前，这里摘抄 JoyOfClojure 一书中关于写宏的一般准则：
- 如果函数能完成相应功能，不要写宏。在需要构造语法抽象（比如 when ）或新的binding 时再去用宏
- 写一个宏使用的 demo，并手动展开
- 使用 macroexpand , macroexpand-1 与 clojure.walk/macroexpand-all 去验证宏是如何工作的
- 在 REPL 中测试
- 如果一个宏比较复杂，尽可能拆分成多个函数
In Action
宏的一大应用场景是流程控制，比如上面介绍的 when、when-let，以及各种 do 的衍生品 dotimes、doseq，我们的实战也从这里入手，构造一系列 do-primes，由浅入深介绍写宏的技巧与注意事项。
(do-primes [n start end]
body)
它会遍历 [start, end) 范围内的素数，对于具体素数 n，执行 body 里面的内容。
do-primes
(defn prime? [n]
(let [guard (int (Math/ceil (Math/sqrt n)))]
(loop [i 2]
(if (zero? (mod n i))
false
(if (= i guard)
true
(recur (inc i)))))))
(defn next-prime [n]
(if (prime? n)
n
(recur (inc n))))
(defmacro do-primes [[variable start end] & body]
`(loop [~variable ~start]
(when (< ~variable ~end)
(when (prime? ~variable)
[email protected])
(recur (next-prime (inc ~variable))))))
上面的实现比较直接，首先定义了两个辅助函数，然后通过返回由 loop 构成的 code 来达到遍历的效果。简单测试下：
(do-primes [n 2 13]
(println n))
;; 展开为
(loop [n 2]
(when (< n 13)
(when (prime? n) (println n))
(recur (next-prime (inc n)))))
;; 最终输出 3 5 7 11
达到预期。但是这么实现会有些问题，比如传入的start end 不是固定的数字，而是一个函数，我们无法确定这个函数有无副作用，这就会导致重复执行多次 end，这显然不是我们想要的效果，需要进行改造。
也许你会说，这个解决也很简单，在进行 loop 之前，用一个 let 先把 end 的值算出来，这个确实能解决多次执行的问题，但是又引入另一个隐患： end 先于 start 执行 。这会不会产生不良后果，我们同样无法预知，我们能做到的就是 尽量不用暴露宏的实现细节 ，尽量保证参数的求值顺序。
(defmacro do-primes2 [[variable start end] & body]
`(let [start# ~start
end# ~end]
(loop [~variable start#]
(when (< ~variable end#)
(when (prime? ~variable)
[email protected])
(recur (next-prime (inc ~variable)))))))
上面使用 gensym 机制来保证生产 symbol 的唯一性，保证宏的“卫生”（ hygiene ）。
(do-primes2 [n 2 (+ 10 (rand-int 30))]
(println n))
;; 展开为
(let [start__17380__auto__ 2 end__17381__auto__ (+ 10 (rand-int 30))]
(loop [n start__17380__auto__]
(when (< n end__17381__auto__)
(when (prime? n) (println n))
(recur (next-prime (inc n))))))
only-once
通过上面的例子，我们也很容易的知道，gensym 是一种常用的技巧，所以我们完全有可能再进行一次抽象，构造 only-once 宏，来保证传入的参数按照顺序只执行一次。
(defmacro only-once [names & body]
(let [gensyms (repeatedly (count names) gensym)]
`(let [[email protected](interleave gensyms (repeat '(gensym)))]
`(let [[email protected](mapcat #(list %1 %2) gensyms names)]
~(let [[email protected](mapcat #(list %1 %2) names gensyms)]
[email protected])))))
(defmacro do-primes3 [[variable start end] & body]
(only-once [start end]
`(loop [~variable ~start]
(when (< ~variable ~end)
(when (prime? ~variable)
[email protected])
(recur (next-prime (inc ~variable)))))))
(do-primes3 [n 2 (+ 10 (rand-int 30))]
(println n))
;; 展开为
only-once 的核心思想是用 gensym 来替换掉传入的 symbol（即 names），为了达到这种效果，它首先定义出一组与参数数目相同的 gensyms（分别记为#s1 #s2），然后在第二层 let 为这些 gensyms 做 binding，value 也是用 gensym 生成的（分别记为#s3 #s4），这一层的 let 的返回值将内嵌到 do-primes3 内：
(let [#s1 #s3 #s2 #s4]
'(let [#s3 start #s3 end]
(let [start #s1 end #s2]
[email protected]))
第三层 let 的结果作为 code 内嵌到调用 do-primes3 处，即最终的展开式：
(let [#s3 2 #s4 (+ 10 (rand-int 30))]
(loop [n #s3]
(when (< n #s4)
(when (prime? n) (println n))
(recur (next-prime (inc n))))))
根据上述分析过程，可以看到第四层嵌套的 let 先于第三层嵌套的 let 执行，第四层 let 做 binding 时，是把 #s1 对应的 #s3 赋值给 start，#s2 对应的 #s4 赋值给 end，这样就成功的实现了 symbol 的替换。
only-once 属于 macro-writing macro 的范畴，就是说它使用的对象本身还是个宏，所以有一定的难度，主要是分清不同表达式的求值环境，这一点对于理解指一类宏非常核心。不过这一类宏大家应该很少能见到，更多的时候是使用辅助函数来分解复杂宏。比如我们这里就使用了两个辅助函数 prime? next-prime 来简化宏的写法。
def-watched
作为实战的最后一个例子，着重介绍 code 与 data 的联系与区别。
def-watched 它可以定义一个受监控的 var，在 root binding 改变时打印前后的值
(defmacro def-watched [name & value]
`(do
(def ~name [email protected])
(add-watch (var ~name)
:re-bind
(fn [~'key ~'r old# new#]
(println '~name old# " -> " new#)))))
(def-watched foo 1)
(def foo 2)
;; 这时打印 foo 1 -> 2
为了简化 def-watched，可能会想把里面的函数提取出来：
(defn gen-watch-fn [name]
(fn [k r o n]
(println name ":" o " -> " n)))
(defmacro def-watched2 [name & value]
`(do
(def ~name [email protected])
(add-watch (var ~name)
:re-bind (gen-watch-fn '~name))))
(def-watched2 bar 1)
;; 展开为
(do (def bar 1) (add-watch #'bar :re-bind (gen-watch-fn 'bar)))
这时的效果和上面是一样的，请注意这里是把 gen-watch-fn 实现为了函数，如果用宏的话，会有什么效果呢？
;; 将 gen-watch-fn 改为 defmacro，其他均不变
;; (def-watched2 bar 1) 展开后变成了
(do
(def bar 1)
(add-watch
#'bar
:re-bind
#function[user/gen-watch-fn/fn--17288]))
这直接会报 No matching ctor found for class #function[user/gen-watch-fn/fn–17288]，由于 gen-watch-fn 是宏，它返回的是 code，而不是一般的 data，这也就是问题发生的缘由。
总结
本文一开始就明确指出 Lisp 中 code as data 的特性，这一点表面看似比较好理解，但是放到具体环境中时，就十分容易搞错。
实战部分给出了一些宏的管用技巧，介绍了相比来说难以理解的 macro-writing marco，理解它有一定难度，但也不是无法入手，理清 quote unquote 的作用机制，并且在 REPL 中不断调试，肯定能有所收获。
虽说不推荐使用宏解决问题，但是在有些时候，一个宏能省掉好几十行代码，而且能使逻辑更清晰，这时候也就不用“吝啬”了。
最后，希望经过这两篇文章的介绍，大家能对宏有更深的理解。Happy Lisp！
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