Update copyright year to 2014 by running admin/update-copyright.
[emacs.git] / doc / lispref / macros.texi
blob9be12fa431bf1b8953ae69c07604ea7c10870797
1 @c -*-texinfo-*-
2 @c This is part of the GNU Emacs Lisp Reference Manual.
3 @c Copyright (C) 1990-1995, 1998, 2001-2014 Free Software Foundation,
4 @c Inc.
5 @c See the file elisp.texi for copying conditions.
6 @node Macros
7 @chapter Macros
8 @cindex macros
10   @dfn{Macros} enable you to define new control constructs and other
11 language features.  A macro is defined much like a function, but instead
12 of telling how to compute a value, it tells how to compute another Lisp
13 expression which will in turn compute the value.  We call this
14 expression the @dfn{expansion} of the macro.
16   Macros can do this because they operate on the unevaluated expressions
17 for the arguments, not on the argument values as functions do.  They can
18 therefore construct an expansion containing these argument expressions
19 or parts of them.
21   If you are using a macro to do something an ordinary function could
22 do, just for the sake of speed, consider using an inline function
23 instead.  @xref{Inline Functions}.
25 @menu
26 * Simple Macro::            A basic example.
27 * Expansion::               How, when and why macros are expanded.
28 * Compiling Macros::        How macros are expanded by the compiler.
29 * Defining Macros::         How to write a macro definition.
30 * Problems with Macros::    Don't evaluate the macro arguments too many times.
31                               Don't hide the user's variables.
32 * Indenting Macros::        Specifying how to indent macro calls.
33 @end menu
35 @node Simple Macro
36 @section A Simple Example of a Macro
38   Suppose we would like to define a Lisp construct to increment a
39 variable value, much like the @code{++} operator in C@.  We would like to
40 write @code{(inc x)} and have the effect of @code{(setq x (1+ x))}.
41 Here's a macro definition that does the job:
43 @findex inc
44 @example
45 @group
46 (defmacro inc (var)
47    (list 'setq var (list '1+ var)))
48 @end group
49 @end example
51   When this is called with @code{(inc x)}, the argument @var{var} is the
52 symbol @code{x}---@emph{not} the @emph{value} of @code{x}, as it would
53 be in a function.  The body of the macro uses this to construct the
54 expansion, which is @code{(setq x (1+ x))}.  Once the macro definition
55 returns this expansion, Lisp proceeds to evaluate it, thus incrementing
56 @code{x}.
58 @defun macrop object
59 This predicate tests whether its argument is a macro, and returns
60 @code{t} if so, @code{nil} otherwise.
61 @end defun
63 @node Expansion
64 @section Expansion of a Macro Call
65 @cindex expansion of macros
66 @cindex macro call
68   A macro call looks just like a function call in that it is a list which
69 starts with the name of the macro.  The rest of the elements of the list
70 are the arguments of the macro.
72   Evaluation of the macro call begins like evaluation of a function call
73 except for one crucial difference: the macro arguments are the actual
74 expressions appearing in the macro call.  They are not evaluated before
75 they are given to the macro definition.  By contrast, the arguments of a
76 function are results of evaluating the elements of the function call
77 list.
79   Having obtained the arguments, Lisp invokes the macro definition just
80 as a function is invoked.  The argument variables of the macro are bound
81 to the argument values from the macro call, or to a list of them in the
82 case of a @code{&rest} argument.  And the macro body executes and
83 returns its value just as a function body does.
85   The second crucial difference between macros and functions is that
86 the value returned by the macro body is an alternate Lisp expression,
87 also known as the @dfn{expansion} of the macro.  The Lisp interpreter
88 proceeds to evaluate the expansion as soon as it comes back from the
89 macro.
91   Since the expansion is evaluated in the normal manner, it may contain
92 calls to other macros.  It may even be a call to the same macro, though
93 this is unusual.
95   Note that Emacs tries to expand macros when loading an uncompiled
96 Lisp file.  This is not always possible, but if it is, it speeds up
97 subsequent execution.  @xref{How Programs Do Loading}.
99   You can see the expansion of a given macro call by calling
100 @code{macroexpand}.
102 @defun macroexpand form &optional environment
103 @cindex macro expansion
104 This function expands @var{form}, if it is a macro call.  If the result
105 is another macro call, it is expanded in turn, until something which is
106 not a macro call results.  That is the value returned by
107 @code{macroexpand}.  If @var{form} is not a macro call to begin with, it
108 is returned as given.
110 Note that @code{macroexpand} does not look at the subexpressions of
111 @var{form} (although some macro definitions may do so).  Even if they
112 are macro calls themselves, @code{macroexpand} does not expand them.
114 The function @code{macroexpand} does not expand calls to inline functions.
115 Normally there is no need for that, since a call to an inline function is
116 no harder to understand than a call to an ordinary function.
118 If @var{environment} is provided, it specifies an alist of macro
119 definitions that shadow the currently defined macros.  Byte compilation
120 uses this feature.
122 @example
123 @group
124 (defmacro inc (var)
125     (list 'setq var (list '1+ var)))
126 @end group
128 @group
129 (macroexpand '(inc r))
130      @result{} (setq r (1+ r))
131 @end group
133 @group
134 (defmacro inc2 (var1 var2)
135     (list 'progn (list 'inc var1) (list 'inc var2)))
136 @end group
138 @group
139 (macroexpand '(inc2 r s))
140      @result{} (progn (inc r) (inc s))  ; @r{@code{inc} not expanded here.}
141 @end group
142 @end example
143 @end defun
146 @defun macroexpand-all form &optional environment
147 @code{macroexpand-all} expands macros like @code{macroexpand}, but
148 will look for and expand all macros in @var{form}, not just at the
149 top-level.  If no macros are expanded, the return value is @code{eq}
150 to @var{form}.
152 Repeating the example used for @code{macroexpand} above with
153 @code{macroexpand-all}, we see that @code{macroexpand-all} @emph{does}
154 expand the embedded calls to @code{inc}:
156 @example
157 (macroexpand-all '(inc2 r s))
158      @result{} (progn (setq r (1+ r)) (setq s (1+ s)))
159 @end example
161 @end defun
163 @node Compiling Macros
164 @section Macros and Byte Compilation
165 @cindex byte-compiling macros
167   You might ask why we take the trouble to compute an expansion for a
168 macro and then evaluate the expansion.  Why not have the macro body
169 produce the desired results directly?  The reason has to do with
170 compilation.
172   When a macro call appears in a Lisp program being compiled, the Lisp
173 compiler calls the macro definition just as the interpreter would, and
174 receives an expansion.  But instead of evaluating this expansion, it
175 compiles the expansion as if it had appeared directly in the program.
176 As a result, the compiled code produces the value and side effects
177 intended for the macro, but executes at full compiled speed.  This would
178 not work if the macro body computed the value and side effects
179 itself---they would be computed at compile time, which is not useful.
181   In order for compilation of macro calls to work, the macros must
182 already be defined in Lisp when the calls to them are compiled.  The
183 compiler has a special feature to help you do this: if a file being
184 compiled contains a @code{defmacro} form, the macro is defined
185 temporarily for the rest of the compilation of that file.
187   Byte-compiling a file also executes any @code{require} calls at
188 top-level in the file, so you can ensure that necessary macro
189 definitions are available during compilation by requiring the files
190 that define them (@pxref{Named Features}).  To avoid loading the macro
191 definition files when someone @emph{runs} the compiled program, write
192 @code{eval-when-compile} around the @code{require} calls (@pxref{Eval
193 During Compile}).
195 @node Defining Macros
196 @section Defining Macros
198   A Lisp macro object is a list whose @sc{car} is @code{macro}, and
199 whose @sc{cdr} is a function.  Expansion of the macro works
200 by applying the function (with @code{apply}) to the list of
201 @emph{unevaluated} arguments from the macro call.
203   It is possible to use an anonymous Lisp macro just like an anonymous
204 function, but this is never done, because it does not make sense to
205 pass an anonymous macro to functionals such as @code{mapcar}.  In
206 practice, all Lisp macros have names, and they are almost always
207 defined with the @code{defmacro} macro.
209 @defmac defmacro name args [doc] [declare] body@dots{}
210 @code{defmacro} defines the symbol @var{name} (which should not be
211 quoted) as a macro that looks like this:
213 @example
214 (macro lambda @var{args} . @var{body})
215 @end example
217 (Note that the @sc{cdr} of this list is a lambda expression.)  This
218 macro object is stored in the function cell of @var{name}.  The
219 meaning of @var{args} is the same as in a function, and the keywords
220 @code{&rest} and @code{&optional} may be used (@pxref{Argument List}).
221 Neither @var{name} nor @var{args} should be quoted.  The return value
222 of @code{defmacro} is undefined.
224 @var{doc}, if present, should be a string specifying the macro's
225 documentation string.  @var{declare}, if present, should be a
226 @code{declare} form specifying metadata for the macro (@pxref{Declare
227 Form}).  Note that macros cannot have interactive declarations, since
228 they cannot be called interactively.
229 @end defmac
231   Macros often need to construct large list structures from a mixture
232 of constants and nonconstant parts.  To make this easier, use the
233 @samp{`} syntax (@pxref{Backquote}).  For example:
235 @example
236 @example
237 @group
238 (defmacro t-becomes-nil (variable)
239   `(if (eq ,variable t)
240        (setq ,variable nil)))
241 @end group
243 @group
244 (t-becomes-nil foo)
245      @equiv{} (if (eq foo t) (setq foo nil))
246 @end group
247 @end example
248 @end example
250   The body of a macro definition can include a @code{declare} form,
251 which specifies additional properties about the macro.  @xref{Declare
252 Form}.
254 @node Problems with Macros
255 @section Common Problems Using Macros
257   Macro expansion can have counterintuitive consequences.  This
258 section describes some important consequences that can lead to
259 trouble, and rules to follow to avoid trouble.
261 @menu
262 * Wrong Time::             Do the work in the expansion, not in the macro.
263 * Argument Evaluation::    The expansion should evaluate each macro arg once.
264 * Surprising Local Vars::  Local variable bindings in the expansion
265                               require special care.
266 * Eval During Expansion::  Don't evaluate them; put them in the expansion.
267 * Repeated Expansion::     Avoid depending on how many times expansion is done.
268 @end menu
270 @node Wrong Time
271 @subsection Wrong Time
273   The most common problem in writing macros is doing some of the
274 real work prematurely---while expanding the macro, rather than in the
275 expansion itself.  For instance, one real package had this macro
276 definition:
278 @example
279 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
280   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
281       (set-buffer-multibyte arg)))
282 @end example
284 With this erroneous macro definition, the program worked fine when
285 interpreted but failed when compiled.  This macro definition called
286 @code{set-buffer-multibyte} during compilation, which was wrong, and
287 then did nothing when the compiled package was run.  The definition
288 that the programmer really wanted was this:
290 @example
291 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
292   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
293       `(set-buffer-multibyte ,arg)))
294 @end example
296 @noindent
297 This macro expands, if appropriate, into a call to
298 @code{set-buffer-multibyte} that will be executed when the compiled
299 program is actually run.
301 @node Argument Evaluation
302 @subsection Evaluating Macro Arguments Repeatedly
304   When defining a macro you must pay attention to the number of times
305 the arguments will be evaluated when the expansion is executed.  The
306 following macro (used to facilitate iteration) illustrates the
307 problem.  This macro allows us to write a ``for'' loop construct.
309 @findex for
310 @example
311 @group
312 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
313   "Execute a simple \"for\" loop.
314 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
315   (list 'let (list (list var init))
316         (cons 'while
317               (cons (list '<= var final)
318                     (append body (list (list 'inc var)))))))
319 @end group
321 @group
322 (for i from 1 to 3 do
323    (setq square (* i i))
324    (princ (format "\n%d %d" i square)))
325 @expansion{}
326 @end group
327 @group
328 (let ((i 1))
329   (while (<= i 3)
330     (setq square (* i i))
331     (princ (format "\n%d %d" i square))
332     (inc i)))
333 @end group
334 @group
336      @print{}1       1
337      @print{}2       4
338      @print{}3       9
339 @result{} nil
340 @end group
341 @end example
343 @noindent
344 The arguments @code{from}, @code{to}, and @code{do} in this macro are
345 ``syntactic sugar''; they are entirely ignored.  The idea is that you
346 will write noise words (such as @code{from}, @code{to}, and @code{do})
347 in those positions in the macro call.
349 Here's an equivalent definition simplified through use of backquote:
351 @example
352 @group
353 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
354   "Execute a simple \"for\" loop.
355 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
356   `(let ((,var ,init))
357      (while (<= ,var ,final)
358        ,@@body
359        (inc ,var))))
360 @end group
361 @end example
363 Both forms of this definition (with backquote and without) suffer from
364 the defect that @var{final} is evaluated on every iteration.  If
365 @var{final} is a constant, this is not a problem.  If it is a more
366 complex form, say @code{(long-complex-calculation x)}, this can slow
367 down the execution significantly.  If @var{final} has side effects,
368 executing it more than once is probably incorrect.
370 @cindex macro argument evaluation
371 A well-designed macro definition takes steps to avoid this problem by
372 producing an expansion that evaluates the argument expressions exactly
373 once unless repeated evaluation is part of the intended purpose of the
374 macro.  Here is a correct expansion for the @code{for} macro:
376 @example
377 @group
378 (let ((i 1)
379       (max 3))
380   (while (<= i max)
381     (setq square (* i i))
382     (princ (format "%d      %d" i square))
383     (inc i)))
384 @end group
385 @end example
387 Here is a macro definition that creates this expansion:
389 @example
390 @group
391 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
392   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
393   `(let ((,var ,init)
394          (max ,final))
395      (while (<= ,var max)
396        ,@@body
397        (inc ,var))))
398 @end group
399 @end example
401   Unfortunately, this fix introduces another problem,
402 described in the following section.
404 @node Surprising Local Vars
405 @subsection Local Variables in Macro Expansions
407 @ifnottex
408   In the previous section, the definition of @code{for} was fixed as
409 follows to make the expansion evaluate the macro arguments the proper
410 number of times:
412 @example
413 @group
414 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
415   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
416 @end group
417 @group
418   `(let ((,var ,init)
419          (max ,final))
420      (while (<= ,var max)
421        ,@@body
422        (inc ,var))))
423 @end group
424 @end example
425 @end ifnottex
427   The new definition of @code{for} has a new problem: it introduces a
428 local variable named @code{max} which the user does not expect.  This
429 causes trouble in examples such as the following:
431 @example
432 @group
433 (let ((max 0))
434   (for x from 0 to 10 do
435     (let ((this (frob x)))
436       (if (< max this)
437           (setq max this)))))
438 @end group
439 @end example
441 @noindent
442 The references to @code{max} inside the body of the @code{for}, which
443 are supposed to refer to the user's binding of @code{max}, really access
444 the binding made by @code{for}.
446 The way to correct this is to use an uninterned symbol instead of
447 @code{max} (@pxref{Creating Symbols}).  The uninterned symbol can be
448 bound and referred to just like any other symbol, but since it is
449 created by @code{for}, we know that it cannot already appear in the
450 user's program.  Since it is not interned, there is no way the user can
451 put it into the program later.  It will never appear anywhere except
452 where put by @code{for}.  Here is a definition of @code{for} that works
453 this way:
455 @example
456 @group
457 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
458   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
459   (let ((tempvar (make-symbol "max")))
460     `(let ((,var ,init)
461            (,tempvar ,final))
462        (while (<= ,var ,tempvar)
463          ,@@body
464          (inc ,var)))))
465 @end group
466 @end example
468 @noindent
469 This creates an uninterned symbol named @code{max} and puts it in the
470 expansion instead of the usual interned symbol @code{max} that appears
471 in expressions ordinarily.
473 @node Eval During Expansion
474 @subsection Evaluating Macro Arguments in Expansion
476   Another problem can happen if the macro definition itself
477 evaluates any of the macro argument expressions, such as by calling
478 @code{eval} (@pxref{Eval}).  If the argument is supposed to refer to the
479 user's variables, you may have trouble if the user happens to use a
480 variable with the same name as one of the macro arguments.  Inside the
481 macro body, the macro argument binding is the most local binding of this
482 variable, so any references inside the form being evaluated do refer to
483 it.  Here is an example:
485 @example
486 @group
487 (defmacro foo (a)
488   (list 'setq (eval a) t))
489 @end group
490 @group
491 (setq x 'b)
492 (foo x) @expansion{} (setq b t)
493      @result{} t                  ; @r{and @code{b} has been set.}
494 ;; @r{but}
495 (setq a 'c)
496 (foo a) @expansion{} (setq a t)
497      @result{} t                  ; @r{but this set @code{a}, not @code{c}.}
499 @end group
500 @end example
502   It makes a difference whether the user's variable is named @code{a} or
503 @code{x}, because @code{a} conflicts with the macro argument variable
504 @code{a}.
506   Another problem with calling @code{eval} in a macro definition is that
507 it probably won't do what you intend in a compiled program.  The
508 byte compiler runs macro definitions while compiling the program, when
509 the program's own computations (which you might have wished to access
510 with @code{eval}) don't occur and its local variable bindings don't
511 exist.
513   To avoid these problems, @strong{don't evaluate an argument expression
514 while computing the macro expansion}.  Instead, substitute the
515 expression into the macro expansion, so that its value will be computed
516 as part of executing the expansion.  This is how the other examples in
517 this chapter work.
519 @node Repeated Expansion
520 @subsection How Many Times is the Macro Expanded?
522   Occasionally problems result from the fact that a macro call is
523 expanded each time it is evaluated in an interpreted function, but is
524 expanded only once (during compilation) for a compiled function.  If the
525 macro definition has side effects, they will work differently depending
526 on how many times the macro is expanded.
528   Therefore, you should avoid side effects in computation of the
529 macro expansion, unless you really know what you are doing.
531   One special kind of side effect can't be avoided: constructing Lisp
532 objects.  Almost all macro expansions include constructed lists; that is
533 the whole point of most macros.  This is usually safe; there is just one
534 case where you must be careful: when the object you construct is part of a
535 quoted constant in the macro expansion.
537   If the macro is expanded just once, in compilation, then the object is
538 constructed just once, during compilation.  But in interpreted
539 execution, the macro is expanded each time the macro call runs, and this
540 means a new object is constructed each time.
542   In most clean Lisp code, this difference won't matter.  It can matter
543 only if you perform side-effects on the objects constructed by the macro
544 definition.  Thus, to avoid trouble, @strong{avoid side effects on
545 objects constructed by macro definitions}.  Here is an example of how
546 such side effects can get you into trouble:
548 @lisp
549 @group
550 (defmacro empty-object ()
551   (list 'quote (cons nil nil)))
552 @end group
554 @group
555 (defun initialize (condition)
556   (let ((object (empty-object)))
557     (if condition
558         (setcar object condition))
559     object))
560 @end group
561 @end lisp
563 @noindent
564 If @code{initialize} is interpreted, a new list @code{(nil)} is
565 constructed each time @code{initialize} is called.  Thus, no side effect
566 survives between calls.  If @code{initialize} is compiled, then the
567 macro @code{empty-object} is expanded during compilation, producing a
568 single ``constant'' @code{(nil)} that is reused and altered each time
569 @code{initialize} is called.
571 One way to avoid pathological cases like this is to think of
572 @code{empty-object} as a funny kind of constant, not as a memory
573 allocation construct.  You wouldn't use @code{setcar} on a constant such
574 as @code{'(nil)}, so naturally you won't use it on @code{(empty-object)}
575 either.
577 @node Indenting Macros
578 @section Indenting Macros
580   Within a macro definition, you can use the @code{declare} form
581 (@pxref{Defining Macros}) to specify how @key{TAB} should indent
582 calls to the macro.  An indentation specification is written like this:
584 @example
585 (declare (indent @var{indent-spec}))
586 @end example
588 @noindent
589 Here are the possibilities for @var{indent-spec}:
591 @table @asis
592 @item @code{nil}
593 This is the same as no property---use the standard indentation pattern.
594 @item @code{defun}
595 Handle this function like a @samp{def} construct: treat the second
596 line as the start of a @dfn{body}.
597 @item an integer, @var{number}
598 The first @var{number} arguments of the function are
599 @dfn{distinguished} arguments; the rest are considered the body
600 of the expression.  A line in the expression is indented according to
601 whether the first argument on it is distinguished or not.  If the
602 argument is part of the body, the line is indented @code{lisp-body-indent}
603 more columns than the open-parenthesis starting the containing
604 expression.  If the argument is distinguished and is either the first
605 or second argument, it is indented @emph{twice} that many extra columns.
606 If the argument is distinguished and not the first or second argument,
607 the line uses the standard pattern.
608 @item a symbol, @var{symbol}
609 @var{symbol} should be a function name; that function is called to
610 calculate the indentation of a line within this expression.  The
611 function receives two arguments:
613 @table @asis
614 @item @var{pos}
615 The position at which the line being indented begins.
616 @item @var{state}
617 The value returned by @code{parse-partial-sexp} (a Lisp primitive for
618 indentation and nesting computation) when it parses up to the
619 beginning of this line.
620 @end table
622 @noindent
623 It should return either a number, which is the number of columns of
624 indentation for that line, or a list whose car is such a number.  The
625 difference between returning a number and returning a list is that a
626 number says that all following lines at the same nesting level should
627 be indented just like this one; a list says that following lines might
628 call for different indentations.  This makes a difference when the
629 indentation is being computed by @kbd{C-M-q}; if the value is a
630 number, @kbd{C-M-q} need not recalculate indentation for the following
631 lines until the end of the list.
632 @end table