3-macros.md

Макросы

Выражения vs утверждения

Выражения (expressions) — код, который в результате выполнения возвращает значение и может быть использован справа в операторе присваивания. Пример: 2 + 2, foo(bar).

Утверждения (statements) — код, который только выплняется, но не возвращает значения и не может быть использован в присваивании. Во многих языках все операторы управления являются утверждениями. Пример:

if True:
    foo()
else
    bar()

В Lisp'е всё — выражение. Это кардинально упрощает очень многие вещи и является одной из предпосылок для активного использования макросов для определения собственных управляющих конструкций. Вторая предпосылка — функции как первоклассный объект.

Правило исполнения кода

В Lisp'е довольно четко определены 3 "времени" (режима) работы программы:

• время выполнения (runtime) — обычный режим исполнения программ — такой же, как и для програм на других языках
• время компиляции — время, когда работает компилятор. В отличие от других языков, в Lisp'е есть интерфейс управления работой системой в этот период
• время загрузки кода

Стандартное правило исполнения кода в Lisp'е, которое работает во время выполнения — форма (fn arg1 arg2 ...) вычисляется следующим образом:

1. Сначала вычисляются аргументы arg1, arg2 и т.д. (слева-направо): если это атомы — то сами в себя, если переменные — то берется их значение, если формы — вычисляются по тому же правилу.
2. Затем к ним применяется функция, которая привязана к символу fn.

Однако, стандартное правило работает не всегда. На самом деле, действует более общее правило:

1. Сначало определяется, что находится в первой позиции формы. Это может быть: функция, макрос или базовый оператор (special-operator).
2. Для функций применяется стандартное правило.
3. Базовые операторы — это 25 операторов, на которых построен весь язык. Условно говоря, это аксиомы языка, которые реализуются уже в более низкоуровневом коде. На них строятся все остальные конструкции языка. Правило выполнения у каждого базового оператора — своё.
4. А для макросов действует такое правило: на место вызова макроса подставляется код, который формируется макросом, а аргументы вызова передаются в этот код без предварительного вычисления.

Т.е. макрос — это конструкция, которая задает преобразование одного кода в другой. Компилятор/интерпретатор любого языка программирования выполняет эту функцию — преобразования кода на этом языке в код (обычно) на другом языке, который будет исполняться. Макрос — это интерфейс к компилятору, который дает возможность выполнять такие же преобразования наравне с компилятором.

Макрос как шаблон

if является базовым оператором. Поверх него реализовано множество других управляющих конструкций: when, unless, cond, case/ecase, ...

Макрос cond — это if с возможностью выполнять последовательную проверку нескольких условий:

(cond
  ((> x 0) 1)
  ((> y 1) 2)   ; переменные x и y описаны где-то за пределами cond
  (t 3))        ; t всегда матчится - это вариант по-умолчанию

Если выразить этот cond через if, то он будет выглядеть так:

(if (> x 0) 1
    (if (> y 1) 2
        3))

Также его можно выразить в более общем виде, который поддерживает любое количество условий в cond. В данном случае для этого можно использовать рекурсию:

(if (> x 0) 1
    (cond
      ((> y 1) 2)
      (t 3)))

Макросы позволяют автоматизировать такое приведение одних форм к другим. Макрос исполняется в 2 этапа: на этапе компиляции его код вычисляется и результат вставляется в код на месте, где был макрос. На этапе выполнения кода макроса уже не существует, а исполняется уже сгенерированный код.

Можно создать макрос cond, который будет генерировать приведенный выше код так:

(defmacro cond1 (&body clauses)
  `(if ,(first (first clauses)) ,(second (first clauses))
       (cond1 ,@(rest clauses))))

В макросах часто используется конструкция

`(... ,x ...). 

Ее можно назвать шаблоном кода, в котором участки, отмеченные запятыми, вычисляются сразу. Это аналог обычного экранированного списка '(1 2 3) с той разницей, что в отличие от простой кавычки (') обратная кавчка (`) поддерживает операции "разэкранирования" (,) и "разэкранирования с развертыванием(splicing)" (,@), которые вычисляют форму, находящуюся за ними. Таким образом можно создавать шаблоны: `(list 1 ,x ,y) — вычислив его мы получим форму с функцией list и тремя аргументами: константой 1, а также двумя занчениями, которые находятся в переменных x и y, опеределенных где-то за пределами шаблона. Если значения x и y — 2 и 3 соответственно, то результат вычисления этого шаблона: (list 1 2 3). А шаблон `(list 0 ,@x), который при условии, что x — это список '(1 2 3), развернется в такой код: (list 0 1 2 3).

Отладка макросов

Поскольку макросы не существуют на этапе выполнения, для их отладки нужны отдельные инструменты. Функция macroexpand-1 раскрывает макрос и печатает код, который будет им сгененрирован.

CL-USER> (defmacro cond1 (&body clauses)
           `(if ,(first (first clauses)) ,(second (first clauses))
                (cond1 ,@(rest clauses))))
CL-USER> (macroexpand-1 '(cond1
                           ((> x 0) 1)
                           ((> y 1) 2)
                           (t 3)))
(IF (> X 0)
    1
    (COND1
      ((> Y 1) 2)
      (T 3)))

Применения макросов

Макросы могут применятся для разнообразных задач, хотя общее правило таково, что не стоит писать макрос там, где можно обойтись обычной функцией.

Основные применения:

• Формирование языка. Сам Common Lisp построен во многом из макросов, включая такие его системы, как CLOS (объектная система). С помощью макросов можно расширять язык новыми управляющими конструкциями и операторами. Точно также из макросов можно построить язык альтернативный Common Lisp на платформе самого Lisp'а. В более практичной сфере это позволяет создавать т.н. DSL'и — специфические языки для какой-то сложной предметной области.
• Автоматизация генерации кода.
• Оптимизация скорости работы программы за счет перенесения части вычсилений на этап компиляции.

Задание

1. Прочитайте: Macros: Standard Control Constructs и Macros: Defining Your Own

2. Макрос doindex — это аналог dolist, который дополнительно дает доступ к индексу текущего элемента в списке. Например:

CL-USER> (dolist (x '(a b c))
           (print x))

A
B
C

CL-USER> (doindex (i x '(a b c))
           (print (list i x)))
(0 A)
(1 B)
(2 C)

Заполните ... в реализации этого макроса:

(defmacro doindex ((index element) list)
  ...)

3. Можно ли в Lisp'е создать макрос-аналог выражения for в Python, который бы позволял итерацию по любой структуре, которая реализует итератор? Если да, то как (в общих чертах)?

4. По желанию прочитайте Casting SPELs in Lisp