让这世界再多一份 GNU m4 教程 (2)

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garfileo
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    宏

    自定义一个 m4 宏所用的基本格式如下：

    define(宏名, 宏体)

    上一节，我们定义的一个很简单的 say_hello_world 宏：

    define(say_hello_world, Hello World!)

    say_hello_world 是宏名，Hello World 是宏体。如果在宏定义之后的文本中出现了 say_hello_world，例如：

    define(say_hello_world, Hello World!)

blab blab ... say_hello_world

    假设上述文本均处于非负号缓存，那么当 m4 从输入流中读取到 say_hello_world 时，它能够检测出该文本片段是一个被定义了的宏，于是它就将这个宏展开为 Hello World，并使用这个展开结果替换文本片段 say_hello_world，所以，上述文本经过 m4 处理后发送到输出流，就变成：

    

blab blab ... Hello World!

    上述输出结果中的空行，应该没什么玄机可言了，只是需要注意：宏定义语句本身也会被 m4 展开，因为 define 本身就是一个宏，只不过它的展开结果是一个空的字符串。

    有参数的宏

    宏可以有参数。遵循 POSIX 标准的 m4，允许一个宏最多有 9 个参数（似乎 Shell 脚本里的函数也最多支持 9 个参数），在宏体中可使用用 $1, ..., $9 来引用它们。GNU 的 m4 不限制宏的参数数量。

    对于下面这段 C 语言的宏定义与调用：

    #define DEF_PAIR_OF(dtype) \
typedef struct pair_of_##dtype { \
        dtype first; \
        dtype second; \
} pair_of_##dtype##_t

DEF_PAIR_OF(int);
DEF_PAIR_OF(double);
DEF_PAIR_OF(MyStruct);

    用 m4 的有参数的宏可给出等价表示：

    divert(-1)
define(DEF_PAIR_OF,
`typedef struct pair_of_$1 {
        $1 first;
        $1 second;
} pair_of_$1')
divert(0)dnl

DEF_PAIR_OF(int);
DEF_PAIR_OF(double);
DEF_PAIR_OF(MyStruct);

    它们能够展开为同样的 C 代码（C 语言宏由 C 预处理器展开，m4 宏由 m4 展开）：

    typedef struct pair_of_int {
        int first;
        int second;
} pair_of_int;
typedef struct pair_of_double {
        double first;
        double second;
} pair_of_double;
typedef struct pair_of_MyStruct {
        MyStruct first;
        MyStruct second;
} pair_of_MyStruct;

    注意，C 宏与 m4 宏的调用有点区别。在 C 中，调用一个宏，宏名与其后的 ( 可以有空格，而 m4 宏的调用不允许这样。

    m4 版本的 DEF_PAIR_OF 宏的宏体为：

    `typedef struct pair_of_$1 {
        $1 first;
        $1 second;
} pair_of_$1'

    这个宏体是一个带引号的字符串，形如：

    `... ... ...'

    注意左引号与右引号对应的符号。在大部分键盘上，左引号与 ~ 符号同键，右引号与 " 同键，它们是单引号。不要对引号掉以倾心，它在 m4 中的重要地位仅位列宏之下，如果没有它，宏的世界会异常的混乱。后面，我会在单独给引号的基本用法留出一节专门阐述。在此只需将引号理解为一段文本的封装。

    事实上，对于 m4 版本的 DEF_PAIR_OF 宏体，不用引号也不会出问题（可以去掉引号试一下）。但是，在复杂一些的宏体内，可能会出现 , 符号，如果这样的宏体不用引号囊括起来，那么 , 会被 m4 误认为宏参数的分隔符。所以，一定要记住：, 会被 m4 捕获为宏参数分隔符，而引号可使之逃逸。

    小实践：reStructuredText 插图标记的简化

    reStructuredText 是一种轻量级的文本标记语言，与 Markdown 属于同类，一般用于记笔记，然后以网页的形式发布。之所以要用轻量级文本标记，是因为直接手写 HTML 太繁琐了。我在我的机器上搭建的 Nikola 静态网站，默认用的就是 reStructuredText，我用它来整理我的一些笔记。

    在使用 reSturcturedText 写文档时，我觉得它的插图标记过于繁琐。我常用的插图标记如下：

    .. figure:: 图片文件路径
    :align: center
    :width: 宽度值

    上述标记文本块前后必须要留出空行，否则 reStructuredText 的解析器就会抱怨。align 与 width 前面的缩进也是必须的，否则 reStructuredText 的解析器就会抱怨……

    为了简化这个标记，我用 m4 定义了一个宏：

    divert(-1)
define(place_figure, `
.. figure:: $1
    :align: center
    :width: $2
')
divert(0)dnl

    然后我就可以愉快的像下面这样在 reStructuredText 文本中插入一幅图片了。

    place_figure(`/images/amenta-needles/0001.png', 480)

    用这种办法可以简化许多繁琐的文本标记，甚至可以实现 reStructuredText 不具备的功能，例如参考文献的管理。如果你不打算研究如何改造 reStructuredText 解析器来满足自己的需求，在这种前提下，用 m4 简单的 hack 一下，使得 reStructuredText 的易用性显著增强，这就是宏语言最大的用途。

    不妨将宏语言视为生活中的方便袋。

    宏的陷阱

    m4 允许宏的重定义，结果是新的宏定义会覆盖旧的。例如：

    define(LEFT, [)dnl
LEFT
define(LEFT, {)dnl
LEFT

    如果你按照我说『新的宏定义会覆盖旧的』来判断，可能会认为上述文本流经 m4 会变为：

    [
{

    然而，事实上 m4 的处理结果是：

    [
[

    与理解这个诡异的结果是如何产生的，就需要认真的回顾一下 m4 的工作过程。

    我将 m4 处理第一个 LEFT 宏定义的过程大致拆解为：

    1. 在输入流中，m4 遇到了 define，在它的记忆里，define 是一个宏；

    2. 接下来它遇到了一个 (，它会认为这是 define 宏参数列表的左定界符；

    3. 接下来，它遇到了 LEFT,，它会认为 , 之前的文本是 define 的第一个参数；

    4. 接下来，它遇到了 [)，他会认为 [ 是 define 的第二个参数，而 ) 是 define 参数列表的右定界符；

    5. 它现在终于明白了，define(LEFT, [) 是在调用 define 宏；

    6. m4 对 define(LEFT, [) 进行展开，具体的展开过程，我们不得而知，因为 define 是 m4 内建的宏。我们只知道在 define(LEFT, [) 的展开过程中，m4 会为我们定义 LEFT 宏，并且 define(LEFT, [) 宏展开完成后，m4 会向输出流发送一个空字串。

    当 m4 遇到第二个 LEFT 宏定义时，它的过程大致如下：

    1. 在输入流中，m4 遇到了 define，在它的记忆里，define 是一个宏；

    2. 接下来它遇到了一个 (，它会认为这是 define 宏参数列表的左定界符；

    3. 接下来，它遇到了 LEFT,，它会认为 , 之前的文本——LEFT是 define 的第一个参数。但是 m4 随即发现 LEFT 是一个宏，于是它就将这个宏展开，结果为 [，它认为 [ 才是真正的 define 的第一个参数；

    4. 接下来，它遇到了 {)，他会认为 { 是 define 的第二个参数，而 ) 是 define 参数列表的右定界符；

    5. 它现在终于明白了，define([, {) 是在调用 define 宏；

    6. m4 对 define([, {) 进行展开，具体的展开过程，我们不得而知，因为 define 是 m4 内建的宏。我们只知道在 define([, {) 的展开过程中，m4 会为我们定义 [ 宏，并且 define([, {) 宏展开完成后，m4 会向输出流发送一个空字串。

    m4 处理输入流的过程，非常像人类，急功近利，目光短浅，一叶障目，不见泰山，管中窥豹，略见一斑……现在明白了吧！第二个 LEFT 宏定义，表面上看起来是重定义了 LEFT 宏，实际上定义的是 [ 宏。

    由于 m4 允许用任何符号作为宏名，所以定义一个 [ 宏，这种行为是合法的，只不过 m4 不会真正的将它视为宏。我一直没有提 m4 的宏命名规则，现在是谈谈它的最好的时机，但是没什么好说的，在 m4 眼里，只有像 C 函数名的宏名才是真正的宏，也就是说，m4 的宏名名规则是：只允许使用字母、数字以及下划线构造宏名，并且宏名只能以字母或下划线开头。只有符合宏名规则的宏，m4 才会将它视为真正的宏。不过，不符合宏名规则的宏，也是有办法调用的，以后再讲。

    若真的想对已定义的宏的重新定义，需要借助引号。例如：

    define(`LEFT', [)dnl
LEFT
define(`LEFT', {)dnl
LEFT

    在 m4 语法中，单重引号具有逃逸的作用：当 m4 读到带单重引号的文本片段 S 时，它会将 S 的引号消除，然后继续处理 S 之后的文本。

    现在可以这样来理解引号的作用：

    • m4 将一切没有引号的文本都视为宏。对于已定义的宏，m4 会将其展开；对于未定义的宏，m4 会按其字面将其输出。

    • 加了引号的文本，m4 不再检测它们是不是宏，而是将其作为普通文本按字面输出。

    也就是说，加了引号的文本，可以让 m4 不需要判断它是不是宏。

    记号

    现在，我们继续探究 m4 究竟对于输入流都做了些什么。这件事，已经讨论了 3 次了，虽然每一次都比前一次更深入一些，但是迄今为止，真相依然未能堪破。现在应该到堪破真相的时候了。

    m4 对输入流是以记号（Token）为单元进行读取的。一般情况下，m4 会将读取的每个记号直接发送到输出流，但是当 m4 发现某个单词是已定义的宏名时，它会将这个宏展开。在对宏进行展开的过程中，m4 可能会需要读入更多的文本以获取宏的参数。宏展开的结果会被插入到输入流剩余部分的前端，也就是说，宏展开后所得到的文本会被 m4 重新读取，解析为记号，继续处理。

    上面这段文字尤为重要。当 m4 不能如你预期的那样展开你定义的宏，都应该重新理解上面这段文字。

    什么样的文本对于 m4 而言是一个记号？带引号的字符串、宏名、宏参数列表、空白字符（包括换行符）、数字以及其他符号（包括标点符号），像这些类别的文本，对于 m4 而言都是记号。对于每种记号，m4 都有相应的处理机制。数字与标点符号（西文的），它们本身是记号，同时也是某些记号的边界，除非它们出现于带引号的字符串或者宏的参数列表中。

    来看一个例子：

    define(`definenum', `define(`num', `99')') num

    若这行文本流经 m4，那么 m4 读到的第一个记号是 define。因为 define 后面尾随的是 (。由于 ( 即是记号，也是某些记号的边界。m4 读取 define 文本之后，就遇到了边界，因此 define 是 m4 遇到的一个记号。

    然后，m4 开始对 define 这个记号进行处理，它发现这个记号是一个带参数的宏。所以它暂停对 define 的处理，继续读取并分析 define 之后的文本，看是否能获得 define 宏的参数列表。

    接下来， m4 读取的是 (，这是个记号，而且是宏参数列表的左定界符。这对 m4 而言，已经开始经进入了一段可能是参数列表的文本。它期望接下来能遇到一个 , 或者 )，以得到完整的参数列表记号。

    但是接下来，m4 读到的是一个左引号。这时，对 m4 而言，已经开始进入了一个可能是带引号的字符串文本，它期望接下来能遇到一些文本或右引号，以得到一个完整的字符串记号。

    但是接下来，m4 读到是文本片段 definenum，再读下去，就读到了右引号。这时， m4 很高兴，它确定自己已经读取了一个带引号的字符串记号，然后它就将包围这个字符串的引号消除，继续读取后面的文本。m4 之所以不在这时将 definenum 发送到输出端，因为它没有忘记自己还有一个使命：为 define 宏搜寻完整的参数列表。

    接下来，m4 读到了 ,——这是宏参数记号的边界。m4 很高兴，它终于得到了 define 宏的第一个参数，即 definenum。此时，m4 认为刚才读到的 , 就没什么用了，于是就将 , 消除了，然后它认为后面也许还会有第二个参数，决定继续前进。

    接下来，m4 遇到了一个空格。在宏参数列表中，在 , 之后的空格是无意义的字符，m4 将这个空格扔掉，继续前进。然后它遇到了左引号……于是就像刚才处理 definenum 一样，m4 可以得到一个带引号的字符串：

     `define(`num', `99')'

    m4 将这个字符串的引号消除，然后继续前进，结果碰到了 )。此时，m4 吁了口气，它终于为 define 宏获得了一个完整的参数列表，尽管这个参数列表只含有两个参数。

    接下来，m4 对 define 宏进行展开。这个过程，我们无法得知，因为 define 是 m4 内建的宏，但是我们知道在 define 的展开过程中肯定发生了一系列计算，然后 definenum 变成了一个宏，最终

    define(`definenum', `define(`num', `99')')

    的展开结果是一个空的字符串。由于宏展开的结果会被插入到输入流剩余部分的前端，也就是说，宏展开后所得到的文本会被 m4 重新读取，解析为记号，继续处理，因此 m4 会将

    define(`definenum', `define(`num', `99')')

    的展开结果视为它下一步继续要读取并处理的文本。当 m4 继续前进时，它就会读到到一个空的字符串。空的字符串，虽然不具备被 m4 发送到输出流的资格，但是它可以作为其他记号的边界记号使用。

    接下来，m4 遇到了一个空格字符。空格字符也是个记号，而且是其他记号的边界。m4 将空格记号直接发送到输出流，继续前进。

    接下来，m4 一口气读到了输入流的末尾，得到了 num 记号。之所以说 num 是一个记号，是因为 num 的左侧与右侧都有边界，左侧是空格，右侧是输入流终止符。m4 将 num 这个记号视为宏，然后它确定这个宏没有被定义，因此无法对其进行展开，所以只好将它作为字符串发送到输出流。

    挑战

    对于以下 m4 文本

    define(`definenum', define(`num', `99')) definenum num

    推测一下 m4 的处理结果，然后执行 m4 命令检验所做的推测是否正确，然后再回顾一次 m4 的工作过程，最后用：

    $ m4 -dV your-m4-file

    查看一下输出，根据输出信息再回顾一次 m4 的工作过程。

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    gnu-m4宏
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