【Rust 笔记】18-宏

最新推荐文章于 2025-10-30 10:37:07 发布

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本文深入探讨了Rust语言中的宏特性，包括assert_eq!宏的使用、宏的基础知识、内置宏的功能、调试宏的应用以及自定义json!宏的实现过程。通过具体的例子，读者能够了解到宏如何帮助提高代码质量与效率。

18 - 宏

assert_eq! 宏：可以生成包含断言文件名和行号的错误消息。

宏：是扩展语言的一种方式。在编译期间，在检查类型和生成任何机器码之前，每个宏调用都会被扩展（expanded）。

assert_eq!(gcd(6, 10), 2);

// 上述宏扩展后的代码
match (&gcd(6, 10), &2) {
    (left_val, right_val) => {
        if !(*left_val == *right_val) {
            panic!("assertion failed: '(left == right)', \
                (left: '{:?}', rigth: '{:?}')", left_val, right_val);
        }
    }
}

Rust 宏可以与语言的其他组件整合，不容易出错。
- 宏调用始终都会以一个感叹号来标记，不容易被忽视。
- Rust 宏永远不会插入不匹配的方括号或圆括号。
- Rust 宏自带模式匹配，便于维护和扩展。

18.1 - 宏基础

macro_rules! 是 Rust 中定义宏的主要方式。

marcro_rule! assert_eq {
    ($left: expr, $right: expr) => (  // 模式
        {  // 模板
        match (&$left, &$right) {
            if !(*left_val == *right_val) {
                panic!("assertion failed: '(left == right)' \
                    (left: '{:?}', right: '{:?}')", left_val, right_val)
            }
            }
        }
    );
}

注意上述代码中 assert_eq 后面没有感叹号。
只有调用宏的时候才需要包含感叹号 !，定义的时候则不需要。

file!、line! 和 macro_rules!，本身是内置在编译器中的。
宏定义定义的另一种方式：过程宏（procedural macro）。

macro_rule! 定义的宏完全基于模式匹配实现逻辑。

( 模式1 ) => ( 模板1 );
( 模式2 ) => ( 模板2 );
...

模式和模板周围可以不用圆括号，而使用方括号或花括号。

以下形式都是等价的：

assert_eq!(gcd(6, 10), 2);
assert_eq![gcd(6, 10), 2];
assert_eq!{gcd(6, 10), 2}   // 在使用花括号时，最后的分号是可选的。

括号的使用惯例或约定：
- 在调用 assert_eq! 时，使用圆括号
- 在调用 vec! 时使用方括号
- 在调用 macro_rules! 时使用花括号

18.1.1 - 宏扩展基础

不能在定义宏之前调用宏，Rust 对宏调用是边分析边扩展的。
宏模式操作的是记号（token），比如数字、名称、标点等 Rust 程序的语法符号。注释和空白不是记号。
对于宏模式中的
```
$left:expr
```
的含义：
- expr 是表达式，其值会赋值给 $left。
- 宏模式与正则表达式一样，只有少数特殊字符会触发特殊的匹配行为。
- 其他字符，如逗号，需要按字面匹配，否则匹配会失败。

18.1.3 - 重复

标准的 vec! 宏有两种形式：

// 重复一个值N次
let buffer = vec![0_u8; 1000];

// 一个由逗号分隔的值列表
let numbers = vec!["udon", "ramen", "soba"];

vec! 宏的实现：

macro_rules! vec {
  ($elem: expr; $n: expr) => {
    ::std::vec::from_elem($elem, $n)
  };
  ( $( $x:expr ),* ) => {
    <[_]>::into_vec(Box::new([ $( $x ),* ]))
  };
  ( $( $x:expr ),+ ,) => {
    vec![ $( $x ),* ]
  };
}

重复的模式：

模式	含义
`$( ... )*`	匹配 0 或多次，没有分隔符
`$( ... ),*`	匹配 0 或多次，以逗号分隔
`$( ... );*`	匹配 0 或多次，以分号分隔
`$( ... )+`	匹配 1 或多次，没有分隔符
`$( ... ),+`	匹配 1 或多次，以逗号分隔
`$( ... );+`	匹配 1 或多次，以分号分隔

$x 是一组表达式；
<[_]> 表示某种类型值的切片。
, 表示匹配带有额外逗号的列表。

18.2 - 内置宏

file!()：扩展为一个字符串字面量，即当前文件名。
line!()：扩展为一个 u32 字面量，代表当前行（从 1 开始）
column!()：扩展为一个 u32 字面量，代表当前列（从 0 开始）
stringify!(...tokens...)：扩展为一个字符串字面量，包含给定的记号。
- assert! 使用此内置宏生成包含断言代码的错误消息。
- 如果参数包含一个宏，那么不会发生扩展，如 stringify(line!())，任意参数为一个字符串 "line!()"。
concat!(str0, str1, ...)：扩展为一个字符串字面量，是拼接其参数之后的结果。
cfg!(...)：扩展为一个布尔值常量，如果当前构建配置与括号中的条件匹配，则为 true。
env!("VAR_NAME")：扩展为一个字符串，即指定环境变量在编译时的值。如果指定的变量不存在，会发生编译错误。常与 Cargo 结合使用。
option_env!("VAR_NAME")：与 env! 相同，不过返回 Option<&'static str>，如果指定变量没有设置，则返回 None。
include!("file.rs")：扩展为指定文件的内容，必须是有效的 Rust 代码，比如表达式或特性项的序列。
include_str!("file.txt")：扩展为一个 &'static str，包含指定文件的文本。
- 使用方法：
```
const COMPOSITOR_SHADER: &str =
    include_str!("../resources/compositor.glsl");
```
- 如果指定的文件不存在，或者文本不是有效 UTF-8，会导致编译错误。
include_bytes!("file.dat")：将文件作为二进制数据进行扩展。其结果是 &'static [u8] 类型的值。
内置宏的规则：
- 在编译时被处理，如果文件不存在或不能读，那编译就会失败。
- 所有宏不能在运行时失败。
- 在任何情况下，如果文件名是相对路径，就会相对于包含当前文件的目录来解析。

18.3 - 调试宏

宏扩展的过程是不可见的。
- Rust 在扩展宏的过程中，在发现某些错误时会打印出一条错误消息。
- 但不会显示包含错误的完全扩展后的代码。
```
rustc
```
可以展示代码在扩展所有宏之后的信息。
- cargo build --verbose 可以看到 Cargo 时如何调用 rustc。
- 即复制 rustc 命令，再添加 -Z unstable-options --pretty expanded 选项。
```
log_syntax!()
```
宏：在编译时，可以把其参数打印到终端。
- 可以用于实现类似 println! 的调试。
- 要求带有#![feature(log_syntax)] 特性标志。
让 Rust 编译器把所有宏调用的日志打印到终端上。
- 在代码某个地方插入 trace_macros!(true);。
- 这样，Rust 每扩展一个宏，都会打印宏的名字和参数。

18.4 - 自定义一个宏 ——`json!` 宏

开发一个 json! 宏，接收一个 JSON 值作为参数，然后为其扩展为类似下述 Rust 表达式：

let students = json!([
  {
    "name": "Jim Blandy"
    "class_of": 1926
    "major": "Tibetan throat singing"
  },
]);

18.4.1 - 片段类型

macro_rules! 宏支持的片段类型：

片段类型	匹配（示例）	后面可以加…
`expr`	表达式：`2 + 2, "udon", x.len()`	`=> , ;`
`stmt`	表达式或声明，不包含末尾的分号（优先使用 `expr` 或 `block`）	`=> , ;`
`ty`	类型：`String`、`Vec<u8>`、`(&str, bool)`	`=> , ; =`
`path`	路径：`ferns`、`::std::sync::mpsc`	`=> , ; =`
`pat`	模式：`_`、`Some(ref x)`	`=> , =`
`item`	特性项：`struct Point {x: f64, y: f64}`、`mod ferns;`	不限
`block`	代码块：`s += "ok\n"; true`	不限
`meta`	属性体：`inline`、`derive(Copy, Clone)`、`doc="3D models."`	不限
`ident`	标识符：`std`、`Json`、`longish_variable_name`	不限
`tt`	记号树：`;`、`>=`、`{}`、`[0 1 (+ 0 1)]`	不限

json! 宏的定义如下：

macro_rules! json {
  (null) => {
    Json::Null
  };
  ([ $( $element:tt ),* ]) => {
    Json::Array(...)
  };
  ({ $( $key:tt : $value:tt ),* }) => {
    Json::Object(...)
  };
  ($other:tt) => {
    ... // TODO: 返回Number、String或Boolean
  };
}