Initial git import
[sxemacs] / info / lispref / macros.texi
1 @c -*-texinfo-*-
2 @c This is part of the SXEmacs Lisp Reference Manual.
3 @c Copyright (C) 1990, 1991, 1992, 1993, 1994 Free Software Foundation, Inc.
4 @c Copyright (C) 2005 Sebastian Freundt <hroptatyr@sxemacs.org>
5 @c See the file lispref.texi for copying conditions.
6 @setfilename ../../info/macros.info
7
8 @node Macros, Loading, Functions and Commands, Top
9 @chapter Macros
10 @cindex macros
11
12   @dfn{Macros} enable you to define new control constructs and other
13 language features.  A macro is defined much like a function, but instead
14 of telling how to compute a value, it tells how to compute another Lisp
15 expression which will in turn compute the value.  We call this
16 expression the @dfn{expansion} of the macro.
17
18   Macros can do this because they operate on the unevaluated expressions
19 for the arguments, not on the argument values as functions do.  They can
20 therefore construct an expansion containing these argument expressions
21 or parts of them.
22
23   If you are using a macro to do something an ordinary function could
24 do, just for the sake of speed, consider using an inline function
25 instead.  @xref{Inline Functions}.
26
27 @menu
28 * Simple Macro::            A basic example.
29 * Expansion::               How, when and why macros are expanded.
30 * Compiling Macros::        How macros are expanded by the compiler.
31 * Defining Macros::         How to write a macro definition.
32 * Backquote::               Easier construction of list structure.
33 * Problems with Macros::    Don't evaluate the macro arguments too many times.
34                               Don't hide the user's variables.
35 @end menu
36
37
38 @node Simple Macro
39 @section A Simple Example of a Macro
40
41   Suppose we would like to define a Lisp construct to increment a
42 variable value, much like the @code{++} operator in C.  We would like to
43 write @code{(inc x)} and have the effect of @code{(setq x (1+ x))}.
44 Here's a macro definition that does the job:
45
46 @findex inc
47 @example
48 @group
49 (defmacro inc (var)
50    (list 'setq var (list '1+ var)))
51 @end group
52 @end example
53
54   When this is called with @code{(inc x)}, the argument @code{var} has
55 the value @code{x}---@emph{not} the @emph{value} of @code{x}.  The body
56 of the macro uses this to construct the expansion, which is @code{(setq
57 x (1+ x))}.  Once the macro definition returns this expansion, Lisp
58 proceeds to evaluate it, thus incrementing @code{x}.
59
60
61 @node Expansion
62 @section Expansion of a Macro Call
63 @cindex expansion of macros
64 @cindex macro call
65
66   A macro call looks just like a function call in that it is a list which
67 starts with the name of the macro.  The rest of the elements of the list
68 are the arguments of the macro.
69
70   Evaluation of the macro call begins like evaluation of a function call
71 except for one crucial difference: the macro arguments are the actual
72 expressions appearing in the macro call.  They are not evaluated before
73 they are given to the macro definition.  By contrast, the arguments of a
74 function are results of evaluating the elements of the function call
75 list.
76
77   Having obtained the arguments, Lisp invokes the macro definition just
78 as a function is invoked.  The argument variables of the macro are bound
79 to the argument values from the macro call, or to a list of them in the
80 case of a @code{&rest} argument.  And the macro body executes and
81 returns its value just as a function body does.
82
83   The second crucial difference between macros and functions is that the
84 value returned by the macro body is not the value of the macro call.
85 Instead, it is an alternate expression for computing that value, also
86 known as the @dfn{expansion} of the macro.  The Lisp interpreter
87 proceeds to evaluate the expansion as soon as it comes back from the
88 macro.
89
90   Since the expansion is evaluated in the normal manner, it may contain
91 calls to other macros.  It may even be a call to the same macro, though
92 this is unusual.
93
94   You can see the expansion of a given macro call by calling
95 @code{macroexpand}.
96
97 @defun macroexpand form &optional environment
98 @cindex macro expansion
99 This function expands @var{form}, if it is a macro call.  If the result
100 is another macro call, it is expanded in turn, until something which is
101 not a macro call results.  That is the value returned by
102 @code{macroexpand}.  If @var{form} is not a macro call to begin with, it
103 is returned as given.
104
105 Note that @code{macroexpand} does not look at the subexpressions of
106 @var{form} (although some macro definitions may do so).  Even if they
107 are macro calls themselves, @code{macroexpand} does not expand them.
108
109 The function @code{macroexpand} does not expand calls to inline functions.
110 Normally there is no need for that, since a call to an inline function is
111 no harder to understand than a call to an ordinary function.
112
113 If @var{environment} is provided, it specifies an alist of macro
114 definitions that shadow the currently defined macros.  Byte compilation
115 uses this feature.
116
117 @smallexample
118 @group
119 (defmacro inc (var)
120     (list 'setq var (list '1+ var)))
121      @result{} inc
122 @end group
123
124 @group
125 (macroexpand '(inc r))
126      @result{} (setq r (1+ r))
127 @end group
128
129 @group
130 (defmacro inc2 (var1 var2)
131     (list 'progn (list 'inc var1) (list 'inc var2)))
132      @result{} inc2
133 @end group
134
135 @group
136 (macroexpand '(inc2 r s))
137      @result{} (progn (inc r) (inc s))  ; @r{@code{inc} not expanded here.}
138 @end group
139 @end smallexample
140 @end defun
141
142
143 @node Compiling Macros
144 @section Macros and Byte Compilation
145 @cindex byte-compiling macros
146
147   You might ask why we take the trouble to compute an expansion for a
148 macro and then evaluate the expansion.  Why not have the macro body
149 produce the desired results directly?  The reason has to do with
150 compilation.
151
152   When a macro call appears in a Lisp program being compiled, the Lisp
153 compiler calls the macro definition just as the interpreter would, and
154 receives an expansion.  But instead of evaluating this expansion, it
155 compiles the expansion as if it had appeared directly in the program.
156 As a result, the compiled code produces the value and side effects
157 intended for the macro, but executes at full compiled speed.  This would
158 not work if the macro body computed the value and side effects
159 itself---they would be computed at compile time, which is not useful.
160
161   In order for compilation of macro calls to work, the macros must be
162 defined in Lisp when the calls to them are compiled.  The compiler has a
163 special feature to help you do this: if a file being compiled contains a
164 @code{defmacro} form, the macro is defined temporarily for the rest of
165 the compilation of that file.  To use this feature, you must define the
166 macro in the same file where it is used and before its first use.
167
168   Byte-compiling a file executes any @code{require} calls at top-level
169 in the file.  This is in case the file needs the required packages for
170 proper compilation.  One way to ensure that necessary macro definitions
171 are available during compilation is to require the files that define
172 them (@pxref{Named Features}).  To avoid loading the macro definition files
173 when someone @emph{runs} the compiled program, write
174 @code{eval-when-compile} around the @code{require} calls (@pxref{Eval
175 During Compile}).
176
177
178 @node Defining Macros
179 @section Defining Macros
180
181   A Lisp macro is a list whose @sc{car} is @code{macro}.  Its @sc{cdr} should
182 be a function; expansion of the macro works by applying the function
183 (with @code{apply}) to the list of unevaluated argument-expressions
184 from the macro call.
185
186   It is possible to use an anonymous Lisp macro just like an anonymous
187 function, but this is never done, because it does not make sense to pass
188 an anonymous macro to functionals such as @code{mapcar}.  In practice,
189 all Lisp macros have names, and they are usually defined with the
190 special form @code{defmacro}.
191
192 @defspec defmacro name argument-list body-forms@dots{}
193 @code{defmacro} defines the symbol @var{name} as a macro that looks
194 like this:
195
196 @example
197 (macro lambda @var{argument-list} . @var{body-forms})
198 @end example
199
200 This macro object is stored in the function cell of @var{name}.  The
201 value returned by evaluating the @code{defmacro} form is @var{name}, but
202 usually we ignore this value.
203
204 The shape and meaning of @var{argument-list} is the same as in a
205 function, and the keywords @code{&rest} and @code{&optional} may be used
206 (@pxref{Argument List}).  Macros may have a documentation string, but
207 any @code{interactive} declaration is ignored since macros cannot be
208 called interactively.
209 @end defspec
210
211
212 @node Backquote
213 @section Backquote
214 @cindex backquote (list substitution)
215 @cindex ` (list substitution)
216 @findex `
217
218   Macros often need to construct large list structures from a mixture of
219 constants and nonconstant parts.  To make this easier, use the macro
220 @samp{`} (often called @dfn{backquote}).
221
222   Backquote allows you to quote a list, but selectively evaluate
223 elements of that list.  In the simplest case, it is identical to the
224 special form @code{quote} (@pxref{Quoting}).  For example, these
225 two forms yield identical results:
226
227 @example
228 @group
229 `(a list of (+ 2 3) elements)
230      @result{} (a list of (+ 2 3) elements)
231 @end group
232 @group
233 '(a list of (+ 2 3) elements)
234      @result{} (a list of (+ 2 3) elements)
235 @end group
236 @end example
237
238 @findex , @r{(with Backquote)}
239 The special marker @samp{,} inside of the argument to backquote
240 indicates a value that isn't constant.  Backquote evaluates the
241 argument of @samp{,} and puts the value in the list structure:
242
243 @example
244 @group
245 (list 'a 'list 'of (+ 2 3) 'elements)
246      @result{} (a list of 5 elements)
247 @end group
248 @group
249 `(a list of ,(+ 2 3) elements)
250      @result{} (a list of 5 elements)
251 @end group
252 @end example
253
254 @findex ,@@ @r{(with Backquote)}
255 @cindex splicing (with backquote)
256 You can also @dfn{splice} an evaluated value into the resulting list,
257 using the special marker @samp{,@@}.  The elements of the spliced list
258 become elements at the same level as the other elements of the resulting
259 list.  The equivalent code without using @samp{`} is often unreadable.
260 Here are some examples:
261
262 @example
263 @group
264 (setq some-list '(2 3))
265      @result{} (2 3)
266 @end group
267 @group
268 (cons 1 (append some-list '(4) some-list))
269      @result{} (1 2 3 4 2 3)
270 @end group
271 @group
272 `(1 ,@@some-list 4 ,@@some-list)
273      @result{} (1 2 3 4 2 3)
274 @end group
275
276 @group
277 (setq list '(hack foo bar))
278      @result{} (hack foo bar)
279 @end group
280 @group
281 (cons 'use
282   (cons 'the
283     (cons 'words (append (cdr list) '(as elements)))))
284      @result{} (use the words foo bar as elements)
285 @end group
286 @group
287 `(use the words ,@@(cdr list) as elements)
288      @result{} (use the words foo bar as elements)
289 @end group
290 @end example
291
292
293
294 @node Problems with Macros
295 @section Common Problems Using Macros
296
297   The basic facts of macro expansion have counterintuitive consequences.
298 This section describes some important consequences that can lead to
299 trouble, and rules to follow to avoid trouble.
300
301 @menu
302 * Argument Evaluation::    The expansion should evaluate each macro arg once.
303 * Surprising Local Vars::  Local variable bindings in the expansion
304                               require special care.
305 * Eval During Expansion::  Don't evaluate them; put them in the expansion.
306 * Repeated Expansion::     Avoid depending on how many times expansion is done.
307 @end menu
308
309
310 @node Argument Evaluation
311 @subsection Evaluating Macro Arguments Repeatedly
312
313   When defining a macro you must pay attention to the number of times
314 the arguments will be evaluated when the expansion is executed.  The
315 following macro (used to facilitate iteration) illustrates the problem.
316 This macro allows us to write a simple ``for'' loop such as one might
317 find in Pascal.
318
319 @findex for
320 @smallexample
321 @group
322 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
323   "Execute a simple \"for\" loop.
324 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
325   (list 'let (list (list var init))
326         (cons 'while (cons (list '<= var final)
327                            (append body (list (list 'inc var)))))))
328 @end group
329 @result{} for
330
331 @group
332 (for i from 1 to 3 do
333    (setq square (* i i))
334    (princ (format "\n%d %d" i square)))
335 @expansion{}
336 @end group
337 @group
338 (let ((i 1))
339   (while (<= i 3)
340     (setq square (* i i))
341     (princ (format "%d      %d" i square))
342     (inc i)))
343 @end group
344 @group
345
346      @print{}1       1
347      @print{}2       4
348      @print{}3       9
349 @result{} nil
350 @end group
351 @end smallexample
352
353 @noindent
354 (The arguments @code{from}, @code{to}, and @code{do} in this macro are
355 ``syntactic sugar''; they are entirely ignored.  The idea is that you
356 will write noise words (such as @code{from}, @code{to}, and @code{do})
357 in those positions in the macro call.)
358
359 Here's an equivalent definition simplified through use of backquote:
360
361 @smallexample
362 @group
363 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
364   "Execute a simple \"for\" loop.
365 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
366   `(let ((,var ,init))
367      (while (<= ,var ,final)
368        ,@@body
369        (inc ,var))))
370 @end group
371 @end smallexample
372
373 Both forms of this definition (with backquote and without) suffer from
374 the defect that @var{final} is evaluated on every iteration.  If
375 @var{final} is a constant, this is not a problem.  If it is a more
376 complex form, say @code{(long-complex-calculation x)}, this can slow
377 down the execution significantly.  If @var{final} has side effects,
378 executing it more than once is probably incorrect.
379
380 @cindex macro argument evaluation
381 A well-designed macro definition takes steps to avoid this problem by
382 producing an expansion that evaluates the argument expressions exactly
383 once unless repeated evaluation is part of the intended purpose of the
384 macro.  Here is a correct expansion for the @code{for} macro:
385
386 @smallexample
387 @group
388 (let ((i 1)
389       (max 3))
390   (while (<= i max)
391     (setq square (* i i))
392     (princ (format "%d      %d" i square))
393     (inc i)))
394 @end group
395 @end smallexample
396
397 Here is a macro definition that creates this expansion:
398
399 @smallexample
400 @group
401 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
402   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
403   `(let ((,var ,init)
404          (max ,final))
405      (while (<= ,var max)
406        ,@@body
407        (inc ,var))))
408 @end group
409 @end smallexample
410
411   Unfortunately, this introduces another problem.
412 @ifinfo
413 Proceed to the following node.
414 @end ifinfo
415
416
417 @node Surprising Local Vars
418 @subsection Local Variables in Macro Expansions
419
420 @ifinfo
421   In the previous section, the definition of @code{for} was fixed as
422 follows to make the expansion evaluate the macro arguments the proper
423 number of times:
424
425 @smallexample
426 @group
427 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
428   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
429 @end group
430 @group
431   `(let ((,var ,init)
432          (max ,final))
433      (while (<= ,var max)
434        ,@@body
435        (inc ,var))))
436 @end group
437 @end smallexample
438 @end ifinfo
439
440   The new definition of @code{for} has a new problem: it introduces a
441 local variable named @code{max} which the user does not expect.  This
442 causes trouble in examples such as the following:
443
444 @smallexample
445 @group
446 (let ((max 0))
447   (for x from 0 to 10 do
448     (let ((this (frob x)))
449       (if (< max this)
450           (setq max this)))))
451 @end group
452 @end smallexample
453
454 @noindent
455 The references to @code{max} inside the body of the @code{for}, which
456 are supposed to refer to the user's binding of @code{max}, really access
457 the binding made by @code{for}.
458
459 The way to correct this is to use an uninterned symbol instead of
460 @code{max} (@pxref{Creating Symbols}).  The uninterned symbol can be
461 bound and referred to just like any other symbol, but since it is
462 created by @code{for}, we know that it cannot already appear in the
463 user's program.  Since it is not interned, there is no way the user can
464 put it into the program later.  It will never appear anywhere except
465 where put by @code{for}.  Here is a definition of @code{for} that works
466 this way:
467
468 @smallexample
469 @group
470 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
471   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
472   (let ((tempvar (make-symbol "max")))
473     `(let ((,var ,init)
474            (,tempvar ,final))
475        (while (<= ,var ,tempvar)
476          ,@@body
477          (inc ,var)))))
478 @end group
479 @end smallexample
480
481 @noindent
482 This creates an uninterned symbol named @code{max} and puts it in the
483 expansion instead of the usual interned symbol @code{max} that appears
484 in expressions ordinarily.
485
486
487 @node Eval During Expansion
488 @subsection Evaluating Macro Arguments in Expansion
489
490   Another problem can happen if you evaluate any of the macro argument
491 expressions during the computation of the expansion, such as by calling
492 @code{eval} (@pxref{Eval}).  If the argument is supposed to refer to the
493 user's variables, you may have trouble if the user happens to use a
494 variable with the same name as one of the macro arguments.  Inside the
495 macro body, the macro argument binding is the most local binding of this
496 variable, so any references inside the form being evaluated do refer
497 to it.  Here is an example:
498
499 @example
500 @group
501 (defmacro foo (a)
502   (list 'setq (eval a) t))
503      @result{} foo
504 @end group
505 @group
506 (setq x 'b)
507 (foo x) @expansion{} (setq b t)
508      @result{} t                  ; @r{and @code{b} has been set.}
509 ;; @r{but}
510 (setq a 'c)
511 (foo a) @expansion{} (setq a t)
512      @result{} t                  ; @r{but this set @code{a}, not @code{c}.}
513
514 @end group
515 @end example
516
517   It makes a difference whether the user's variable is named @code{a} or
518 @code{x}, because @code{a} conflicts with the macro argument variable
519 @code{a}.
520
521   Another reason not to call @code{eval} in a macro definition is that
522 it probably won't do what you intend in a compiled program.  The
523 byte-compiler runs macro definitions while compiling the program, when
524 the program's own computations (which you might have wished to access
525 with @code{eval}) don't occur and its local variable bindings don't
526 exist.
527
528   The safe way to work with the run-time value of an expression is to
529 put the expression into the macro expansion, so that its value is
530 computed as part of executing the expansion.
531
532
533 @node Repeated Expansion
534 @subsection How Many Times is the Macro Expanded?
535
536   Occasionally problems result from the fact that a macro call is
537 expanded each time it is evaluated in an interpreted function, but is
538 expanded only once (during compilation) for a compiled function.  If the
539 macro definition has side effects, they will work differently depending
540 on how many times the macro is expanded.
541
542   In particular, constructing objects is a kind of side effect.  If the
543 macro is called once, then the objects are constructed only once.  In
544 other words, the same structure of objects is used each time the macro
545 call is executed.  In interpreted operation, the macro is reexpanded
546 each time, producing a fresh collection of objects each time.  Usually
547 this does not matter---the objects have the same contents whether they
548 are shared or not.  But if the surrounding program does side effects
549 on the objects, it makes a difference whether they are shared.  Here is
550 an example:
551
552 @lisp
553 @group
554 (defmacro empty-object ()
555   (list 'quote (cons nil nil)))
556 @end group
557
558 @group
559 (defun initialize (condition)
560   (let ((object (empty-object)))
561     (if condition
562         (setcar object condition))
563     object))
564 @end group
565 @end lisp
566
567 @noindent
568 If @code{initialize} is interpreted, a new list @code{(nil)} is
569 constructed each time @code{initialize} is called.  Thus, no side effect
570 survives between calls.  If @code{initialize} is compiled, then the
571 macro @code{empty-object} is expanded during compilation, producing a
572 single ``constant'' @code{(nil)} that is reused and altered each time
573 @code{initialize} is called.
574
575 One way to avoid pathological cases like this is to think of
576 @code{empty-object} as a funny kind of constant, not as a memory
577 allocation construct.  You wouldn't use @code{setcar} on a constant such
578 as @code{'(nil)}, so naturally you won't use it on @code{(empty-object)}
579 either.