Lisp宏能做什么是“一等函数”无法做到的？

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提问于 2025-04-16 11:43

我觉得我明白Lisp中的宏以及它们在编译阶段的作用。

但是在Python中，你可以把一个函数作为参数传递给另一个函数。

def f(filename, g):
  try:                                
     fh = open(filename, "rb") 
     g(fh)
  finally:
     close(fh)

所以，在这里我们可以实现懒惰求值。那么，宏能做的事情，函数作为一等公民就做不了什么呢？

宏 lisp 编译阶段懒惰求值

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宏可以改变代码

宏的作用是对源代码进行转换。懒惰求值则不一样。想象一下，你现在可以编写函数，将任意代码转换成不同的代码。

非常简单的代码转换

创建简单的语言结构只是一个非常简单的例子。考虑一下打开文件的例子：

(with-open-file (stream file :direction :input)
  (do-something stream))

和

(call-with-stream (function do-something)
                  file
                  :direction :input)

宏给我的，是稍微不同的语法和代码结构。

嵌入式语言：高级迭代结构

接下来考虑一个稍微不同的例子：

(loop for i from 10 below 20 collect (sqr i))

和

(collect-for 10 20 (function sqr))

我们可以定义一个函数 COLLECT-FOR，它可以在简单循环中做同样的事情，并且有起始、结束和步进函数的变量。

但是 LOOP 提供了一种新的语言。LOOP 宏就是这个语言的编译器。这个编译器可以进行 LOOP 特有的优化，并且可以在编译时检查这种新语言的语法。一个更强大的循环宏是 ITERATE。这些强大的语言级工具现在可以作为库编写，而不需要特别的编译器支持。

在宏中遍历代码树并进行修改

接下来是另一个简单的例子：

(with-slots (age name) some-person
  (print name)
  (princ " "
  (princ age))

和类似的东西：

(flet ((age (person) (slot-value person 'age))
       (name (person) (slot-value person 'name)))
   (print (name))
   (princ " ")
   (princ (age)))

WITH-SLOTS 宏会遍历整个包含的源代码树，并将变量 name 替换为 (SLOT-VALUE SOME-PERSON 'name) 的调用：

(progn
  (print (slot-value some-person 'name))
  (princ " "
  (princ (slot-value some-person 'age)))

在这个例子中，宏可以重写代码的特定部分。它理解 Lisp 语言的结构，并知道 name 和 age 是变量。它还理解在某些情况下 name 和 age 可能不是变量，因此不应该被重写。这是一个所谓的 代码遍历器 的应用，它可以遍历代码树并对其进行修改。

宏可以修改编译时环境

另一个简单的例子，是一个小文件的内容：

(defmacro oneplus (x)
  (print (list 'expanding 'oneplus 'with x))
  `(1+ ,x))

(defun example (a b)
   (+ (oneplus a) (oneplus (* a b))))

在这个例子中，我们不关注宏 ONEPLUS，而是关注宏 DEFMACRO 本身。

它有什么有趣的地方？在 Lisp 中，你可以有一个包含上述内容的文件，并使用 文件编译器 来编译这个文件。

;;; Compiling file /private/tmp/test.lisp ...
;;; Safety = 3, Speed = 1, Space = 1, Float = 1, Interruptible = 1
;;; Compilation speed = 1, Debug = 2, Fixnum safety = 3
;;; Source level debugging is on
;;; Source file recording is  on
;;; Cross referencing is on
; (TOP-LEVEL-FORM 0)
; ONEPLUS

(EXPANDING ONEPLUS SOURCE A) 
(EXPANDING ONEPLUS SOURCE (* A B)) 
; EXAMPLE
;; Processing Cross Reference Information

所以我们看到，文件编译器 扩展了对 ONEPLUS 宏的使用。

这有什么特别之处？文件中有一个宏定义，而在下一个形式中我们已经使用了这个新宏 ONEPLUS。我们从未将宏定义加载到 Lisp 中。编译器以某种方式知道并注册了定义的宏 ONEPLUS，然后能够使用它。

因此，宏 DEFMACRO 在编译时环境中注册了新定义的宏 ONEPLUS，使得编译器知道这个宏——而无需加载代码。这个宏可以在宏展开时在编译时执行。

使用函数我们无法做到这一点。编译器为函数调用生成代码，但不执行它们。但宏可以在编译时运行，并为编译器添加“知识”。这种知识在编译器运行期间有效，之后部分会被遗忘。DEFMACRO 是一个在编译时执行的宏，然后通知编译时环境一个新宏的存在。

还要注意，宏 ONEPLUS 也会运行两次，因为它在文件中使用了两次。副作用是它会打印一些东西。但 ONEPLUS 也可能有其他任意副作用。例如，它可以检查包含的源代码是否符合某些规则，并在代码违反规则时提醒你（想想样式检查器）。

这意味着，宏，这里是 DEFMACRO，可以在编译文件时改变语言及其环境。在其他语言中，编译器可能提供特殊的编译指令，这些指令在编译时会被识别。有很多这样的定义宏影响编译器的例子：DEFUN、DEFCLASS、DEFMETHOD 等等。

宏可以让用户代码更简洁

一个典型的例子是 DEFSTRUCT 宏，用于定义类似于记录的数据结构。

(defstruct person name age salary)

上面的 defstruct 宏创建了以下代码：

一个新的结构类型 person，有三个槽
用于读取和写入值的槽访问器
一个检查某个对象是否属于 person 类的谓词
一个创建结构对象的 make-person 函数
一个打印表示

此外，它可能会：

记录源代码
记录源代码的来源（文件、编辑器缓冲区、REPL 等）
交叉引用源代码

定义结构的原始代码是一行简短的代码，而扩展后的代码则要长得多。

DEFSTRUCT 宏不需要访问语言的元级别来创建这些不同的东西。它只是将一小段描述性代码转换为通常更长的定义代码，使用典型的语言结构。

回答于 2025-04-16 由 Python大师

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这是Matthias Felleisen在2002年的回答（通过http://people.csail.mit.edu/gregs/ll1-discuss-archive-html/msg01539.html）：

我想提议，宏有三种有条理的使用方式：

数据子语言：我可以写看起来简单的表达式，然后用宏整齐地创建复杂的嵌套列表、数组或表格，像是用引号、取消引号等。

绑定结构：我可以用宏引入新的绑定结构。这可以帮助我摆脱lambda表达式，并把属于同一组的东西放得更近。例如，我们的一个教学包里有一个表单
(web-query ([last-name (string-append "你好 " first-name " 你的姓是什么？"]) ... last-name ... first-name ...) 这暗示了程序和网络用户之间的明显互动。
[注意：在ML中，你可以写 web-query(fn last-name => ...)string_append(...)，但这实在是麻烦且不必要的模式。]

评估重排序：我可以引入一些结构，按需延迟或推迟表达式的评估。想想循环、新的条件语句、延迟/强制等。
[注意：在Haskell中，你不需要这个。]

我知道Lisp程序员使用宏是出于其他原因。老实说，我认为这部分是因为编译器的不足，部分是因为目标语言中的“语义”不规则性。

我挑战大家在说语言X可以做到宏能做到的事情时，考虑这三个问题。

-- Matthias

Felleisen是宏领域最有影响力的研究者之一。（不过我不知道他现在是否还同意这个观点。）

更多阅读：Paul Graham的《On Lisp》（http://www.paulgraham.com/onlisp.html; Graham 绝对不同意Felleisen认为这些是宏唯一有用的用法），以及Shriram Krishnamurthi的论文《通过宏实现自动机》（http://www.cs.brown.edu/~sk/Publications/Papers/Published/sk-automata-macros/）。

回答于 2025-04-16 由 Python大师

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首先，Lisp 也有一等函数，所以你也可以问：“如果我已经有一等函数，为什么还需要宏？”答案是，一等函数无法让你玩弄语法。

从表面上看，一等函数让你可以写 f(filename, some_function) 或 f(filename, lambda fh: fh.whatever(x))，但不能写 f(filename, fh, fh.whatever(x))。虽然这样说可能有点道理，因为在最后一种情况下，fh 突然出现的地方就不太清楚了。

更重要的是，函数只能包含有效的代码。所以你不能写一个高阶函数 reverse_function，让它接受一个函数作为参数，然后“反向”执行它，比如 reverse_function(lambda: "hello world" print) 会执行 print "hello world"。但用宏你就可以做到。当然，这个例子有点傻，但这个能力在嵌入特定领域语言时非常有用。

例如，你无法在 Python 中实现 Common Lisp 的 loop 结构。实际上，如果 Python 的 for ... in 结构不是内置的，你甚至无法用 Python 自己实现它——至少不能用那种语法。当然，你可以实现类似 for(collection, function) 的东西，但那就没那么好看了。

回答于 2025-04-16 由 Python大师

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Lisp宏能做什么是“一等函数”无法做到的？

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