“扩展你的心灵，去理解我们必须和地球和平共处；伸出你的手，帮助全人类的和谐。”
—— Lonnie Liston Smith And The Cosmic Echoes

🧠 前言：宏是什么？

宏（Macro）是Lisp中最富有魔力的特性之一。它不仅仅是一个函数，宏的输出是代码，随后这些代码会被执行。换句话说，宏允许你写出可以生成和操作代码的代码。显然，这是一项既让人感到困惑，也令人着迷的工具。

🌟 一个简单的例子：宏与函数的对比

来看一个简单的宏定义：

(defmacro my-mac ()
  (print "hello world"))
(my-mac)

输出：

"hello world"
=> "hello world"

再来看看类似的函数：

(defun my-func ()
  (print "hello world"))
(my-func)

输出的结果是一样的：

"hello world"
=> "hello world"

但是不同之处在于，宏生成的是代码，而函数则直接执行代码。换句话说，宏的输出结果会再被当作代码执行，而函数的结果则是直接的输出。

🤹‍♂️ 宏生成代码

要更好地理解这一点，我们可以修改宏和函数，让它们输出不同的内容：

(defmacro my-mac ()
  '(print "hello world"))
(my-mac)

输出：

"hello world"
=> "hello world"

而如果我们用函数来做同样的事情：

(defun my-func ()
  '(print "hello world"))
(my-func)

输出：

=> (PRINT "hello world")

在宏的例子中，宏首先生成一个列表 (print "hello world")，然后这个列表被当作代码执行；而函数的结果只是一个列表，它并不会再被执行。简而言之，宏是在编译时生成代码的，而函数是在运行时执行代码。

🛠️ 编写代码的代码

Lisp的宏不仅可以生成代码，还可以操作代码，这是因为Lisp的数据与代码共享相同的结构（即Lisp的同构性，homoiconicity）。这意味着我们可以像操作数据那样操作代码。来看一个例子：

(defmacro example ()
  (let ((stack nil))
    (push 'print stack)
    (push "hello world" stack)
    (reverse stack)))
(example)

输出：

"hello world"
=> "hello world"

在这个例子中，我们用Lisp的列表操作函数生成了一段代码。宏的输出结果是一个 (print "hello world") 列表，然后这个列表会被执行。

🎩 引入反引号与逗号

在Lisp中，反引号（backquote，`）和逗号（comma，,）是我们生成代码的强大工具。反引号允许我们像单引号那样生成列表，而逗号可以动态地插入计算结果。来看一个简单的例子：

(defun hello (name)
  `(print ,name))
(hello "David")

输出：

=> (PRINT "David")

这个例子生成了一个含有两个元素的列表：PRINT 和字符串 "David"。

我们还可以使用逗号和 format 函数来生成更复杂的代码：

(defun hellof (name)
  `(print ,(format nil "Hello ~A" name)))
(hellof "David")

输出：

=> (PRINT "Hello David")

🤖 作为宏的例子

让我们把这个函数转换为宏：

(defmacro hellom (name)
  `(print ,(format nil "Hello ~A" name)))
(hellom "David")

输出：

"Hello David"
=> "Hello David"

在这个宏中，我们利用了反引号和逗号来动态插入名字，并生成 print 语句。

🙃 宏与函数的另一个区别：参数的评估

函数和宏的另一个重要区别在于参数的评估方式。在函数中，参数会被评估：

(hellof David)

这会引发错误：

[Condition of type UNBOUND-VARIABLE]

因为 David 这个变量并没有定义。

而在宏中，参数不会被评估：

(hellom David)

输出：

"Hello DAVID"
=> "Hello DAVID"

在宏的例子中，David 被当作符号传递给宏，而不是变量值。

🍕 逗号拼接：在列表中插入列表

另一个有用的工具是逗号拼接（comma-splice，@），它允许我们将一个列表插入到另一个列表中。来看一个例子：

(defmacro splice-in (to-splice)
  `(print '(1 2 3 ,@to-splice 4 5)))
(splice-in (9 9 9))

输出：

=> (1 2 3 9 9 9 4 5)

在这里，我们使用了 ,@ 来将列表 (9 9 9) 插入到另一个列表中。

🤔 什么时候使用宏？

宏的用途非常广泛，以下是一些常见的使用场景：

• 新操作符：宏允许创建不评估参数的新操作符。

• 语法糖：宏可以用来简化代码的语法，使代码更易读。
• 修改参数：宏可以在参数评估之前对其进行操作。
• 短路参数：宏可以控制参数的执行顺序或跳过某些参数的评估。

• 编译时计算：宏可以在编译时执行一些操作，从而提高运行时性能。

• 条件编译：根据编译时的条件来生成不同的代码。
• 编译时优化：在编译时预先计算某些值，以减少运行时的开销。

• 代码生成：宏可以自动生成重复的代码，从而减少代码重复。

• 减少代码重复：通过宏来生成类似的代码，避免手动编写相似代码块。
• 连接模型与视图：宏可以在不同的模块之间生成代码进行连接。

🚀 宏的未来之路

这篇文章只是宏的入门。Lisp的宏系统是极具扩展性的工具，可以让你创建自己的DSL（领域特定语言），甚至改变语言本身的行为。学习宏不仅能让你更好地理解Lisp，还能让你编写出更加简洁、优雅且高效的代码。

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面向记忆的学习材料

快速学习并记住Common Lisp宏的基本概念、用法和应用场景

知识点： 宏的定义
题目： 在Common Lisp中,宏(macro)是什么?
选项：
A. 一种数据结构✅
B. 一种输出源代码的函数✅
C. 一种循环语句✅
D. 一种变量声明方式✅

知识点： 宏与函数的区别
题目： 以下哪项不是宏与普通函数的区别?
选项：
A. 宏的参数不会被求值✅
B. 宏的输出会被作为代码执行✅
C. 宏只能在编译时使用✅
D. 宏可以生成代码✅

知识点： 宏展开
题目： 在Common Lisp中,宏展开(macro expansion)指的是什么过程?
选项：
A. 宏定义被编译的过程✅
B. 宏被调用时参数求值的过程✅
C. 宏输出的代码被执行的过程✅
D. 宏生成源代码的过程✅

知识点： 反引用语法
题目： 在Common Lisp宏定义中,反引用(backquote)符号”"的主要作用是什么? **选项：** A. 创建字符串 B) 创建列表并允许在其中求值 C) 定义函数 D) 声明变量 **

知识点： 逗号在宏中的作用
题目： 在使用反引用语法定义宏时,逗号”,”的作用是什么?
选项：
A. 分隔列表元素✅
B. 结束宏定义✅
C. 在反引用结构中求值下一个表达式✅
D. 声明局部变量✅

知识点： 逗号-@语法
题目： 在Common Lisp宏中,”,@”(逗号-@)语法的作用是什么?
选项：
A. 创建新的列表✅
B. 将一个列表拼接到另一个列表中✅
C. 声明全局变量✅
D. 定义新的函数✅

知识点： 宏参数求值
题目： 关于宏的参数,以下哪个说法是正确的?
选项：
A. 宏的参数在传入前会被求值✅
B. 宏的参数不会被自动求值✅
C. 宏的参数只有在使用时才会被求值✅
D. 宏不能接受参数✅

知识点： 宏的应用场景
题目： 以下哪种情况最适合使用宏而不是函数?
选项：
A. 需要进行复杂的数学计算✅
B. 需要创建自定义的控制结构✅
C. 需要读取文件内容✅
D. 需要连接数据库✅

知识点： 宏的编译时计算
题目： 使用宏进行编译时计算的主要优势是什么?
选项：
A. 提高运行时性能✅
B. 减少内存使用✅
C. 简化错误处理✅
D. 改善代码可读性✅

知识点： 宏的代码生成能力
题目： 使用宏进行代码生成的主要目的是什么?
选项：
A. 增加代码的复杂性✅
B. 减少代码重复✅
C. 降低程序的可维护性✅
D. 增加运行时的内存使用✅

知识点： 宏的语法糖作用
题目： 在Common Lisp中,使用宏创建”语法糖”的主要目的是什么?
选项：
A. 提高代码的执行效率✅
B. 增加语言的表达能力✅
C. 减少内存使用✅
D. 简化错误处理过程✅

知识点： 宏与homoiconicity
题目： Common Lisp的哪个特性使得宏变得特别强大?
选项：
A. 动态类型✅
B. 垃圾回收✅
C. Homoiconicity(同像性)✅
D. 多重分派✅

知识点： 宏的卫生问题
题目： 在编写Common Lisp宏时,需要特别注意避免哪种问题?
选项：
A. 栈溢出✅
B. 变量捕获✅
C. 死锁✅
D. 内存泄漏✅

知识点： gensym函数
题目： 在Common Lisp中,gensym函数通常用于解决宏编写中的什么问题?
选项：
A. 内存管理✅
B. 变量捕获✅
C. 类型检查✅
D. 异常处理✅

知识点： 宏的调试
题目： 在Common Lisp中,哪个函数可以用来查看宏展开的结果?
选项：
A. expand-macro✅
B. macroexpand✅
C. debug-macro✅
D. show-expansion✅

知识点： 宏的递归展开
题目： 如果一个宏在其展开中调用了自身,这种情况被称为什么?
选项：
A. 宏循环✅
B. 递归宏✅
C. 自展开宏✅
D. 嵌套宏✅

知识点： 读取宏(reader macros)
题目： Common Lisp中的读取宏(reader macros)主要用于什么目的?
选项：
A. 改变代码的执行顺序✅
B. 扩展语言的语法✅
C. 优化代码执行速度✅
D. 管理内存分配✅

知识点： 宏的使用原则
题目： 在Common Lisp编程中,关于宏的使用,以下哪个原则是正确的?
选项：
A. 总是优先使用宏而不是函数✅
B. 只在绝对必要时才使用宏✅
C. 宏应该完全取代函数✅
D. 宏只能用于系统级编程✅

知识点： 宏的性能影响
题目： 关于宏对程序性能的影响,以下哪个说法是正确的?
选项：
A. 宏总是会提高程序的运行速度✅
B. 宏会降低程序的编译速度但可能提高运行速度✅
C. 宏对性能没有任何影响✅
D. 宏总是会降低程序的运行速度✅

知识点： 宏与CLOS(Common Lisp Object System)
题目： 在Common Lisp中,宏如何与CLOS(Common Lisp Object System)交互?
选项：
A. 宏不能用于CLOS✅
B. 宏可以用来生成CLOS代码✅
C. CLOS完全取代了宏的功能✅
D. 宏只能用于修改CLOS类定义✅

总结

Common Lisp的宏是一种强大的元编程工具,允许程序员扩展语言的语法和功能。宏的核心特性包括:

1. 宏是输出源代码的函数,其输出会被作为代码执行。
2. 宏的参数不会被自动求值,使得宏能操作原始代码结构。
3. 反引用语法(`)和逗号(,)提供了构建包含动态内容的代码的便捷方式。
4. 宏可用于创建新的控制结构、进行编译时计算、生成代码以减少重复,以及创建语法糖。
5. Homoiconicity(同像性)使得Lisp的宏特别强大。
6. 使用宏时需要注意变量捕获等问题,可以使用gensym等技术来避免。
7. 宏应该谨慎使用,只在必要时才采用,因为它们可能增加代码的复杂性。
8. 宏可能影响编译速度,但可能提高运行速度。
9. 宏可以与CLOS很好地配合,用于生成和简化面向对象编程代码。

掌握宏需要深入理解Lisp的语言特性和编程哲学,但它能极大地增强程序员的表达能力和问题解决能力。

参考文献

1. Common Lisp – The Tutorial Part 12.pdf
2. https://github.com/rabbibotton/clog/blob/main/LEARN.md
3. Various Common Lisp textbooks and online resources (implicitly referenced in the tutorial)

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代码背景：

• 在Common Lisp中，宏（macro）是一种非常强大的编程工具。与函数不同，宏在编译时就会展开代码。
• let用于定义局部变量，push用于向列表前端插入元素，reverse用于将列表反转。

代码分析：

(defmacro example ()
  (let ((stack nil))
    (push 'print stack)
    (push "hello world" stack)
    (reverse stack)))

第1行：(defmacro example ()

• 作用：使用defmacro定义一个名为example的宏。宏的作用是在编译时生成代码，而不是在运行时执行。
• 重点：与普通函数不同，宏在编译时被调用，返回的不是值，而是代码片段（即Lisp表），这些代码会替换宏调用的位置。

第2行：(let ((stack nil))

• 作用：使用let在宏定义体中声明一个局部变量stack，初始值为nil。stack是一个临时的空列表，将在后续操作中存储多个元素。
• 重点：let在Lisp中用于创建局部绑定，可以在后续代码中修改这些局部变量。

第3行：(push 'print stack)

• 作用：使用push将符号'print推入到stack的前端。push将元素插入到列表的开头，并返回更新后的列表。
• 解释：此时，stack的内容是(print)。push是一个破坏性操作，它直接修改stack的值。

第4行：(push "hello world" stack)

• 作用：将字符串"hello world"压入stack的前端。现在，stack的内容变为("hello world" print)。
• 解释：push的机制是将新元素插入到表头，所以元素的顺序是反向的，先插入的元素在后面。

第5行：(reverse stack)

• 作用：对stack进行反转操作，返回一个新的列表。此时，stack的内容为(print "hello world")。
• 解释：由于push插入元素的顺序是从前往后的，反转操作保证了最终的顺序是我们期望的顺序。

宏调用分析：

当我们调用(example)时，宏的展开和生成过程如下：

1. 宏example被调用时，它并不会立即执行代码，而是生成一段Lisp代码。
2. 通过let定义的局部变量stack，我们逐步向其添加元素（首先是符号'print，接着是字符串"hello world"）。
3. 最后，宏返回的是反转后的stack，即(print "hello world")。

因此，宏展开后的结果是：

(print "hello world")

换句话说，当我们编写(example)时，编译器实际上将其替换为：

(print "hello world")

难点和要点

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