rust声明式宏

宏

在 rust 中，我们一开始就在使用宏，例如 println!, vec!, assert_eq! 等。看起来宏和函数在使用时只是多了一个 !。实际上这些宏都是声明式宏（也叫示例宏或macro_rules!），rust 还支持过程宏，过程宏为我们提供了强大的元编程工具。

声明式宏

声明式宏类似于 match 匹配。它可以将表达式的结果与多个模式进行匹配。一旦匹配成功，那么该模式相关联的代码将被展开。和 match 不同的是，宏里的值是一段 rust 源代码。所有这些都发生在编译期，并没有运行期的性能损耗。下面是一个例子：

// 声明一个add宏
macro_rules! add {
    ($a: expr, $b: expr) => {
        $a + $b
    };
}

fn main() {
    let a = 10;
    let b = 22;

    let _res = add!(a, b);
    let _res = add!(a+1, b);
    let _res = add!(a*2, b+3);
}

我们需要一个类似于 GCC -E 的方式来查看一下预处理阶段之后的代码。cargo-expand 正好提供了相应的功能。使用 cargo 安装 cargo-expand 即可。

cargo install cargo-expand

安装 cargo-expand 之后，可以使用 cargo expand 命令来查看声明式宏是如何被展开的。上面的代码在执行cargo expand之后输出如下所示：

#![feature(prelude_import)]
#[prelude_import]
use std::prelude::rust_2021::*;
#[macro_use]
extern crate std;
fn main() {
    let a = 10;
    let b = 22;
    let _res = a + b;
    let _res = a + 1 + b;
    let _res = a * 2 + (b + 3);
}

可以看到，每一个 _res 的右边都被展开了，并且如果传入的参数是一个表达式，则会将整个表达式作为一个整体传递给宏。这就是某些地方提到的“Hygienic Macros”（有些地方也翻译为卫生宏，翻译的很抽象）。最后一行代码中传入的b+3被当做了一个整体。如果是在C/C++中，不会自动将表达式作为整体，而是直接进行字符串替换。而 Rust 编译器会自动处理变量名和作用域，确保宏展开后的代码不会引入未预料的变量冲突。下面是一个C/C++中使用宏的例子。

#include<stdio.h>
#define ADD(a, b) a + b;

int main() {
    int a = 10;
    int b = 22;
    int _res = ADD(a, b)
    _res = ADD(a+1, b)
    _res = ADD(a*2, b+3)
} 

同样，我们使用 gcc -E main.c 来获取预处理之后的代码。由于展开之后的代码非常得多，我们只放上 main 函数中展开的部分。

int main() {
    int a = 10;
    int b = 22;
    int _res = a + b;
    _res = a+1 + b;
    _res = a*2 + b+3;
}

可以看到，调用的代码展开之后，并没有将 b+3 作为一个整体来处理，而是简单的进行替换。因此，我们在 C/C++ 中编写宏要特别注意，宏参数在使用的时候必须加上括号。现在我们来修复上面 C/C++ 代码中的宏。

#include<stdio.h>
#define ADD(a, b) (a) + (b);

int main() {
    int a = 10;
    int b = 22;
    int _res = ADD(a, b)
    _res = ADD(a+1, b)
    _res = ADD(a*2, b+3)
} 

这样，我们在使用宏的时候，就避免了意外结果的发生。这样展开之后的代码如下所示：

int main() {
    int a = 10;
    int b = 22;
    int _res = (a) + (b);
    _res = (a+1) + (b);
    _res = (a*2) + (b+3);
}

我们接着来定义我们自己的 my_vec! 宏, 来对声明式宏的相关语法做一个解释。

macro_rules! my_vec {
    // 匹配 my_vec![]
    () => {
        std::vec::Vec::new()
    };
    // 匹配 my_vec![1,2,3]
    ($($el:expr), *) => {
        // 这段代码需要用{}包裹起来，因为宏需要展开，这样能保证作用域正常，不影响外部。这也是rust的宏是 Hygienic Macros 的体现。 
        // 而 C/C++ 的宏不强制要求，但是如果遇到代码片段，在 C/C++ 中也应该使用{}包裹起来。
        {
            let mut v = std::vec::Vec::new();
            $(v.push($el);)*
            v
        }
    };
    // 匹配 my_vec![1; 3]
    ($el:expr; $n:expr) => {
        std::vec::from_elem($el, $n)
    };
}

1. 由于宏要在调用的地方展开，我们无法预测调用者的环境是否已经做了相关的 use，所以我们使用的代码最好带着完整的命名空间。
2. 在声明宏中，条件捕获的参数使用 开头的标识符来声明。每个参数都需要提供类型，这里 expr 代表表达式，所以 el:expr 是说把匹配到的表达式命名为 el。(...),* 告诉编译器可以匹配任意多个以逗号分隔的表达式，然后捕获到的每一个表达式可以用 el 来访问。由于匹配的时候匹配到一个 (...)* （我们可以不管分隔符），在执行的代码块中，我们也要相应地使用 (...)* 展开。所以这句 (v.push(el);)* 相当于匹配出多少个 el 就展开多少句 push 语句。
3. 如果传入用冒号分隔的两个表达式，那么会用 from_element 构建 Vec。

我们来使用一下自定义的 my_vec! 宏

let mut v = my_vec!();
v.push(1);
println!("{:?}", v);
let v = my_vec![1, 2, 3, 4, 5];
println!("{:?}", v);
let v = my_vec!{1; 3};
println!("{:?}", v);

我们在使用宏的时候，可以使用(), [], {}，都是可以的。但是一般都是按照约定成俗的方式来使用。例如：vec![1,2,3]，而不是使用 vec!{1,2,3}。

这段宏调用，展开以后，如下所示：

let mut v = std::vec::Vec::new();
v.push(1);
{
    ::std::io::_print(format_args!("{0:?}\n", v));
};
let v = {
    let mut v = std::vec::Vec::new();
    v.push(1);
    v.push(2);
    v.push(3);
    v.push(4);
    v.push(5);
    v
};
{
    ::std::io::_print(format_args!("{0:?}\n", v));
};
let v = std::vec::from_elem(1, 3);
{
    ::std::io::_print(format_args!("{0:?}\n", v));
};

可以看到，let v = my_vec![1, 2, 3, 4, 5]; 被展开为

let v = {
    let mut v = std::vec::Vec::new();
    v.push(1);
    v.push(2);
    v.push(3);
    v.push(4);
    v.push(5);
    v
};

它带上了我们在宏定义中的{}，另外我们注意到println! 宏也被展开了, 但是并没有完全展开，其中还包含了一个format_args! 宏，我们来看一下，是否和println宏的定义一样。

// println宏的定义
macro_rules! println {
    () => {
        $crate::print!("\n")
    };
    ($($arg:tt)*) => {{
        $crate::io::_print($crate::format_args_nl!($($arg)*));
    }};
}

可以看到，println带有参数将会使用 format_args_nl! 宏，但是expand确是 format_args 宏。大概可能是因为文档中说format_args_nl宏是nightly模式下的吧！并没有完全展开是因为该宏是内置宏(rustc_builtin_macro)。

在使用声明宏时，我们需要为参数明确类型，刚才的例子都是使用的expr，其实还可以使用下面这些：

• item，比如一个函数、结构体、模块等。
• block，代码块。比如一系列由花括号包裹的表达式和语句。
• stmt，语句。比如一个赋值语句。
• pat，模式。
• expr，表达式。刚才的例子使用过了。
• ty，类型。比如 Vec。
• ident，标识符。比如一个变量名。
• path，路径。比如：foo、::std::mem::replace、transmute::<_, int>。 meta，元数据。一般是在 #[...]`` 和 #![…]`` 属性内部的数据。
• tt，单个的 token 树。
• vis，可能为空的一个 Visibility 修饰符。比如 pub、pub(crate)

声明式宏还算比较简单。它可以帮助我们解决一些问题。

1. 代码重复：声明式宏可以帮助消除代码中的冗余，通过将重复的代码逻辑抽象成宏，从而减少代码量并提高代码的可读性和维护性。
2. 代码模板化：宏可以用于定义代码模板，允许在编译时根据不同的参数生成特定的代码片段，从而实现代码的泛化和重用。
3. 实现函数重载，宏可以匹配多种模式的参数来实现函数重载。

宏的缺点

宏目前的编写无法得到IDE很好的支持，另外一点就是如无必要，就不要编写宏。如果要编写，那么尽量编写声明式宏，而不是过程宏。

1. 宏编写复杂：过程宏的编写可能相对复杂，特别是对于复杂的语法分析和代码生成任务，编写和调试过程宏可能需要更多的时间和精力。
2. 可读性下降：宏可能会导致代码的可读性下降，特别是在宏的展开代码复杂或嵌套层级较多时，代码可读性可能变差。
3. 不利于错误检查：宏展开发生在编译期间，因此错误信息可能不够明确和直观，难以定位宏展开后的具体错误位置。
4. 难以调试：宏展开过程对于开发者不是透明的，因此在调试过程中可能会遇到难以解决的问题。

参考资料

1. https://github.com/rust-lang/rust/issues/93904
2. https://blog.logrocket.com/macros-in-rust-a-tutorial-with-examples/#:~:text=Declarative%20macros%20enable%20you%20to,Rust%20code%20it%20is%20given.
3. rust编程第一课-陈天
4. The Little Book of Rust Macros