* trampver.texi: Update release number.
[emacs.git] / doc / lispref / macros.texi
blob0a5152a43a1e79eaf325bb08404e156a313f35f2
1 @c -*-texinfo-*-
2 @c This is part of the GNU Emacs Lisp Reference Manual.
3 @c Copyright (C) 1990-1995, 1998, 2001-2012 Free Software Foundation, Inc.
4 @c See the file elisp.texi for copying conditions.
5 @node Macros
6 @chapter Macros
7 @cindex macros
9   @dfn{Macros} enable you to define new control constructs and other
10 language features.  A macro is defined much like a function, but instead
11 of telling how to compute a value, it tells how to compute another Lisp
12 expression which will in turn compute the value.  We call this
13 expression the @dfn{expansion} of the macro.
15   Macros can do this because they operate on the unevaluated expressions
16 for the arguments, not on the argument values as functions do.  They can
17 therefore construct an expansion containing these argument expressions
18 or parts of them.
20   If you are using a macro to do something an ordinary function could
21 do, just for the sake of speed, consider using an inline function
22 instead.  @xref{Inline Functions}.
24 @menu
25 * Simple Macro::            A basic example.
26 * Expansion::               How, when and why macros are expanded.
27 * Compiling Macros::        How macros are expanded by the compiler.
28 * Defining Macros::         How to write a macro definition.
29 * Problems with Macros::    Don't evaluate the macro arguments too many times.
30                               Don't hide the user's variables.
31 * Indenting Macros::        Specifying how to indent macro calls.
32 @end menu
34 @node Simple Macro
35 @section A Simple Example of a Macro
37   Suppose we would like to define a Lisp construct to increment a
38 variable value, much like the @code{++} operator in C.  We would like to
39 write @code{(inc x)} and have the effect of @code{(setq x (1+ x))}.
40 Here's a macro definition that does the job:
42 @findex inc
43 @example
44 @group
45 (defmacro inc (var)
46    (list 'setq var (list '1+ var)))
47 @end group
48 @end example
50   When this is called with @code{(inc x)}, the argument @var{var} is the
51 symbol @code{x}---@emph{not} the @emph{value} of @code{x}, as it would
52 be in a function.  The body of the macro uses this to construct the
53 expansion, which is @code{(setq x (1+ x))}.  Once the macro definition
54 returns this expansion, Lisp proceeds to evaluate it, thus incrementing
55 @code{x}.
57 @node Expansion
58 @section Expansion of a Macro Call
59 @cindex expansion of macros
60 @cindex macro call
62   A macro call looks just like a function call in that it is a list which
63 starts with the name of the macro.  The rest of the elements of the list
64 are the arguments of the macro.
66   Evaluation of the macro call begins like evaluation of a function call
67 except for one crucial difference: the macro arguments are the actual
68 expressions appearing in the macro call.  They are not evaluated before
69 they are given to the macro definition.  By contrast, the arguments of a
70 function are results of evaluating the elements of the function call
71 list.
73   Having obtained the arguments, Lisp invokes the macro definition just
74 as a function is invoked.  The argument variables of the macro are bound
75 to the argument values from the macro call, or to a list of them in the
76 case of a @code{&rest} argument.  And the macro body executes and
77 returns its value just as a function body does.
79   The second crucial difference between macros and functions is that
80 the value returned by the macro body is an alternate Lisp expression,
81 also known as the @dfn{expansion} of the macro.  The Lisp interpreter
82 proceeds to evaluate the expansion as soon as it comes back from the
83 macro.
85   Since the expansion is evaluated in the normal manner, it may contain
86 calls to other macros.  It may even be a call to the same macro, though
87 this is unusual.
89   You can see the expansion of a given macro call by calling
90 @code{macroexpand}.
92 @defun macroexpand form &optional environment
93 @cindex macro expansion
94 This function expands @var{form}, if it is a macro call.  If the result
95 is another macro call, it is expanded in turn, until something which is
96 not a macro call results.  That is the value returned by
97 @code{macroexpand}.  If @var{form} is not a macro call to begin with, it
98 is returned as given.
100 Note that @code{macroexpand} does not look at the subexpressions of
101 @var{form} (although some macro definitions may do so).  Even if they
102 are macro calls themselves, @code{macroexpand} does not expand them.
104 The function @code{macroexpand} does not expand calls to inline functions.
105 Normally there is no need for that, since a call to an inline function is
106 no harder to understand than a call to an ordinary function.
108 If @var{environment} is provided, it specifies an alist of macro
109 definitions that shadow the currently defined macros.  Byte compilation
110 uses this feature.
112 @example
113 @group
114 (defmacro inc (var)
115     (list 'setq var (list '1+ var)))
116 @end group
118 @group
119 (macroexpand '(inc r))
120      @result{} (setq r (1+ r))
121 @end group
123 @group
124 (defmacro inc2 (var1 var2)
125     (list 'progn (list 'inc var1) (list 'inc var2)))
126 @end group
128 @group
129 (macroexpand '(inc2 r s))
130      @result{} (progn (inc r) (inc s))  ; @r{@code{inc} not expanded here.}
131 @end group
132 @end example
133 @end defun
136 @defun macroexpand-all form &optional environment
137 @code{macroexpand-all} expands macros like @code{macroexpand}, but
138 will look for and expand all macros in @var{form}, not just at the
139 top-level.  If no macros are expanded, the return value is @code{eq}
140 to @var{form}.
142 Repeating the example used for @code{macroexpand} above with
143 @code{macroexpand-all}, we see that @code{macroexpand-all} @emph{does}
144 expand the embedded calls to @code{inc}:
146 @example
147 (macroexpand-all '(inc2 r s))
148      @result{} (progn (setq r (1+ r)) (setq s (1+ s)))
149 @end example
151 @end defun
153 @node Compiling Macros
154 @section Macros and Byte Compilation
155 @cindex byte-compiling macros
157   You might ask why we take the trouble to compute an expansion for a
158 macro and then evaluate the expansion.  Why not have the macro body
159 produce the desired results directly?  The reason has to do with
160 compilation.
162   When a macro call appears in a Lisp program being compiled, the Lisp
163 compiler calls the macro definition just as the interpreter would, and
164 receives an expansion.  But instead of evaluating this expansion, it
165 compiles the expansion as if it had appeared directly in the program.
166 As a result, the compiled code produces the value and side effects
167 intended for the macro, but executes at full compiled speed.  This would
168 not work if the macro body computed the value and side effects
169 itself---they would be computed at compile time, which is not useful.
171   In order for compilation of macro calls to work, the macros must
172 already be defined in Lisp when the calls to them are compiled.  The
173 compiler has a special feature to help you do this: if a file being
174 compiled contains a @code{defmacro} form, the macro is defined
175 temporarily for the rest of the compilation of that file.
177   Byte-compiling a file also executes any @code{require} calls at
178 top-level in the file, so you can ensure that necessary macro
179 definitions are available during compilation by requiring the files
180 that define them (@pxref{Named Features}).  To avoid loading the macro
181 definition files when someone @emph{runs} the compiled program, write
182 @code{eval-when-compile} around the @code{require} calls (@pxref{Eval
183 During Compile}).
185 @node Defining Macros
186 @section Defining Macros
188   A Lisp macro is a list whose @sc{car} is @code{macro}.  Its @sc{cdr} should
189 be a function; expansion of the macro works by applying the function
190 (with @code{apply}) to the list of unevaluated argument-expressions
191 from the macro call.
193   It is possible to use an anonymous Lisp macro just like an anonymous
194 function, but this is never done, because it does not make sense to pass
195 an anonymous macro to functionals such as @code{mapcar}.  In practice,
196 all Lisp macros have names, and they are usually defined with the
197 special form @code{defmacro}.
199 @defspec defmacro name argument-list body-forms@dots{}
200 @code{defmacro} defines the symbol @var{name} as a macro that looks
201 like this:
203 @example
204 (macro lambda @var{argument-list} . @var{body-forms})
205 @end example
207 (Note that the @sc{cdr} of this list is a function---a lambda expression.)
208 This macro object is stored in the function cell of @var{name}.  Its return
209 value is @emph{undefined}.
211 The shape and meaning of @var{argument-list} is the same as in a
212 function, and the keywords @code{&rest} and @code{&optional} may be used
213 (@pxref{Argument List}).  Macros may have a documentation string, but
214 any @code{interactive} declaration is ignored since macros cannot be
215 called interactively.
216 @end defspec
218   Macros often need to construct large list structures from a mixture
219 of constants and nonconstant parts.  To make this easier, use the
220 @samp{`} syntax (@pxref{Backquote}).  For example:
222 @example
223 @example
224 @group
225 (defmacro t-becomes-nil (variable)
226   `(if (eq ,variable t)
227        (setq ,variable nil)))
228 @end group
230 @group
231 (t-becomes-nil foo)
232      @equiv{} (if (eq foo t) (setq foo nil))
233 @end group
234 @end example
235 @end example
237   The body of a macro definition can include a @code{declare} form,
238 which specifies additional properties about the macro.  @xref{Declare
239 Form}.
241 @node Problems with Macros
242 @section Common Problems Using Macros
244   Macro expansion can have counterintuitive consequences.  This
245 section describes some important consequences that can lead to
246 trouble, and rules to follow to avoid trouble.
248 @menu
249 * Wrong Time::             Do the work in the expansion, not in the macro.
250 * Argument Evaluation::    The expansion should evaluate each macro arg once.
251 * Surprising Local Vars::  Local variable bindings in the expansion
252                               require special care.
253 * Eval During Expansion::  Don't evaluate them; put them in the expansion.
254 * Repeated Expansion::     Avoid depending on how many times expansion is done.
255 @end menu
257 @node Wrong Time
258 @subsection Wrong Time
260   The most common problem in writing macros is doing some of the
261 real work prematurely---while expanding the macro, rather than in the
262 expansion itself.  For instance, one real package had this macro
263 definition:
265 @example
266 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
267   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
268       (set-buffer-multibyte arg)))
269 @end example
271 With this erroneous macro definition, the program worked fine when
272 interpreted but failed when compiled.  This macro definition called
273 @code{set-buffer-multibyte} during compilation, which was wrong, and
274 then did nothing when the compiled package was run.  The definition
275 that the programmer really wanted was this:
277 @example
278 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
279   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
280       `(set-buffer-multibyte ,arg)))
281 @end example
283 @noindent
284 This macro expands, if appropriate, into a call to
285 @code{set-buffer-multibyte} that will be executed when the compiled
286 program is actually run.
288 @node Argument Evaluation
289 @subsection Evaluating Macro Arguments Repeatedly
291   When defining a macro you must pay attention to the number of times
292 the arguments will be evaluated when the expansion is executed.  The
293 following macro (used to facilitate iteration) illustrates the
294 problem.  This macro allows us to write a ``for'' loop construct.
296 @findex for
297 @example
298 @group
299 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
300   "Execute a simple \"for\" loop.
301 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
302   (list 'let (list (list var init))
303         (cons 'while
304               (cons (list '<= var final)
305                     (append body (list (list 'inc var)))))))
306 @end group
308 @group
309 (for i from 1 to 3 do
310    (setq square (* i i))
311    (princ (format "\n%d %d" i square)))
312 @expansion{}
313 @end group
314 @group
315 (let ((i 1))
316   (while (<= i 3)
317     (setq square (* i i))
318     (princ (format "\n%d %d" i square))
319     (inc i)))
320 @end group
321 @group
323      @print{}1       1
324      @print{}2       4
325      @print{}3       9
326 @result{} nil
327 @end group
328 @end example
330 @noindent
331 The arguments @code{from}, @code{to}, and @code{do} in this macro are
332 ``syntactic sugar''; they are entirely ignored.  The idea is that you
333 will write noise words (such as @code{from}, @code{to}, and @code{do})
334 in those positions in the macro call.
336 Here's an equivalent definition simplified through use of backquote:
338 @example
339 @group
340 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
341   "Execute a simple \"for\" loop.
342 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
343   `(let ((,var ,init))
344      (while (<= ,var ,final)
345        ,@@body
346        (inc ,var))))
347 @end group
348 @end example
350 Both forms of this definition (with backquote and without) suffer from
351 the defect that @var{final} is evaluated on every iteration.  If
352 @var{final} is a constant, this is not a problem.  If it is a more
353 complex form, say @code{(long-complex-calculation x)}, this can slow
354 down the execution significantly.  If @var{final} has side effects,
355 executing it more than once is probably incorrect.
357 @cindex macro argument evaluation
358 A well-designed macro definition takes steps to avoid this problem by
359 producing an expansion that evaluates the argument expressions exactly
360 once unless repeated evaluation is part of the intended purpose of the
361 macro.  Here is a correct expansion for the @code{for} macro:
363 @example
364 @group
365 (let ((i 1)
366       (max 3))
367   (while (<= i max)
368     (setq square (* i i))
369     (princ (format "%d      %d" i square))
370     (inc i)))
371 @end group
372 @end example
374 Here is a macro definition that creates this expansion:
376 @example
377 @group
378 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
379   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
380   `(let ((,var ,init)
381          (max ,final))
382      (while (<= ,var max)
383        ,@@body
384        (inc ,var))))
385 @end group
386 @end example
388   Unfortunately, this fix introduces another problem,
389 described in the following section.
391 @node Surprising Local Vars
392 @subsection Local Variables in Macro Expansions
394 @ifnottex
395   In the previous section, the definition of @code{for} was fixed as
396 follows to make the expansion evaluate the macro arguments the proper
397 number of times:
399 @example
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 @end group
404 @group
405   `(let ((,var ,init)
406          (max ,final))
407      (while (<= ,var max)
408        ,@@body
409        (inc ,var))))
410 @end group
411 @end example
412 @end ifnottex
414   The new definition of @code{for} has a new problem: it introduces a
415 local variable named @code{max} which the user does not expect.  This
416 causes trouble in examples such as the following:
418 @example
419 @group
420 (let ((max 0))
421   (for x from 0 to 10 do
422     (let ((this (frob x)))
423       (if (< max this)
424           (setq max this)))))
425 @end group
426 @end example
428 @noindent
429 The references to @code{max} inside the body of the @code{for}, which
430 are supposed to refer to the user's binding of @code{max}, really access
431 the binding made by @code{for}.
433 The way to correct this is to use an uninterned symbol instead of
434 @code{max} (@pxref{Creating Symbols}).  The uninterned symbol can be
435 bound and referred to just like any other symbol, but since it is
436 created by @code{for}, we know that it cannot already appear in the
437 user's program.  Since it is not interned, there is no way the user can
438 put it into the program later.  It will never appear anywhere except
439 where put by @code{for}.  Here is a definition of @code{for} that works
440 this way:
442 @example
443 @group
444 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
445   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
446   (let ((tempvar (make-symbol "max")))
447     `(let ((,var ,init)
448            (,tempvar ,final))
449        (while (<= ,var ,tempvar)
450          ,@@body
451          (inc ,var)))))
452 @end group
453 @end example
455 @noindent
456 This creates an uninterned symbol named @code{max} and puts it in the
457 expansion instead of the usual interned symbol @code{max} that appears
458 in expressions ordinarily.
460 @node Eval During Expansion
461 @subsection Evaluating Macro Arguments in Expansion
463   Another problem can happen if the macro definition itself
464 evaluates any of the macro argument expressions, such as by calling
465 @code{eval} (@pxref{Eval}).  If the argument is supposed to refer to the
466 user's variables, you may have trouble if the user happens to use a
467 variable with the same name as one of the macro arguments.  Inside the
468 macro body, the macro argument binding is the most local binding of this
469 variable, so any references inside the form being evaluated do refer to
470 it.  Here is an example:
472 @example
473 @group
474 (defmacro foo (a)
475   (list 'setq (eval a) t))
476 @end group
477 @group
478 (setq x 'b)
479 (foo x) @expansion{} (setq b t)
480      @result{} t                  ; @r{and @code{b} has been set.}
481 ;; @r{but}
482 (setq a 'c)
483 (foo a) @expansion{} (setq a t)
484      @result{} t                  ; @r{but this set @code{a}, not @code{c}.}
486 @end group
487 @end example
489   It makes a difference whether the user's variable is named @code{a} or
490 @code{x}, because @code{a} conflicts with the macro argument variable
491 @code{a}.
493   Another problem with calling @code{eval} in a macro definition is that
494 it probably won't do what you intend in a compiled program.  The
495 byte compiler runs macro definitions while compiling the program, when
496 the program's own computations (which you might have wished to access
497 with @code{eval}) don't occur and its local variable bindings don't
498 exist.
500   To avoid these problems, @strong{don't evaluate an argument expression
501 while computing the macro expansion}.  Instead, substitute the
502 expression into the macro expansion, so that its value will be computed
503 as part of executing the expansion.  This is how the other examples in
504 this chapter work.
506 @node Repeated Expansion
507 @subsection How Many Times is the Macro Expanded?
509   Occasionally problems result from the fact that a macro call is
510 expanded each time it is evaluated in an interpreted function, but is
511 expanded only once (during compilation) for a compiled function.  If the
512 macro definition has side effects, they will work differently depending
513 on how many times the macro is expanded.
515   Therefore, you should avoid side effects in computation of the
516 macro expansion, unless you really know what you are doing.
518   One special kind of side effect can't be avoided: constructing Lisp
519 objects.  Almost all macro expansions include constructed lists; that is
520 the whole point of most macros.  This is usually safe; there is just one
521 case where you must be careful: when the object you construct is part of a
522 quoted constant in the macro expansion.
524   If the macro is expanded just once, in compilation, then the object is
525 constructed just once, during compilation.  But in interpreted
526 execution, the macro is expanded each time the macro call runs, and this
527 means a new object is constructed each time.
529   In most clean Lisp code, this difference won't matter.  It can matter
530 only if you perform side-effects on the objects constructed by the macro
531 definition.  Thus, to avoid trouble, @strong{avoid side effects on
532 objects constructed by macro definitions}.  Here is an example of how
533 such side effects can get you into trouble:
535 @lisp
536 @group
537 (defmacro empty-object ()
538   (list 'quote (cons nil nil)))
539 @end group
541 @group
542 (defun initialize (condition)
543   (let ((object (empty-object)))
544     (if condition
545         (setcar object condition))
546     object))
547 @end group
548 @end lisp
550 @noindent
551 If @code{initialize} is interpreted, a new list @code{(nil)} is
552 constructed each time @code{initialize} is called.  Thus, no side effect
553 survives between calls.  If @code{initialize} is compiled, then the
554 macro @code{empty-object} is expanded during compilation, producing a
555 single ``constant'' @code{(nil)} that is reused and altered each time
556 @code{initialize} is called.
558 One way to avoid pathological cases like this is to think of
559 @code{empty-object} as a funny kind of constant, not as a memory
560 allocation construct.  You wouldn't use @code{setcar} on a constant such
561 as @code{'(nil)}, so naturally you won't use it on @code{(empty-object)}
562 either.
564 @node Indenting Macros
565 @section Indenting Macros
567   Within a macro definition, you can use the @code{declare} form
568 (@pxref{Defining Macros}) to specify how @key{TAB} should indent
569 calls to the macro.  An indentation specification is written like this:
571 @example
572 (declare (indent @var{indent-spec}))
573 @end example
575 @noindent
576 Here are the possibilities for @var{indent-spec}:
578 @table @asis
579 @item @code{nil}
580 This is the same as no property---use the standard indentation pattern.
581 @item @code{defun}
582 Handle this function like a @samp{def} construct: treat the second
583 line as the start of a @dfn{body}.
584 @item an integer, @var{number}
585 The first @var{number} arguments of the function are
586 @dfn{distinguished} arguments; the rest are considered the body
587 of the expression.  A line in the expression is indented according to
588 whether the first argument on it is distinguished or not.  If the
589 argument is part of the body, the line is indented @code{lisp-body-indent}
590 more columns than the open-parenthesis starting the containing
591 expression.  If the argument is distinguished and is either the first
592 or second argument, it is indented @emph{twice} that many extra columns.
593 If the argument is distinguished and not the first or second argument,
594 the line uses the standard pattern.
595 @item a symbol, @var{symbol}
596 @var{symbol} should be a function name; that function is called to
597 calculate the indentation of a line within this expression.  The
598 function receives two arguments:
600 @table @asis
601 @item @var{state}
602 The value returned by @code{parse-partial-sexp} (a Lisp primitive for
603 indentation and nesting computation) when it parses up to the
604 beginning of this line.
605 @item @var{pos}
606 The position at which the line being indented begins.
607 @end table
609 @noindent
610 It should return either a number, which is the number of columns of
611 indentation for that line, or a list whose car is such a number.  The
612 difference between returning a number and returning a list is that a
613 number says that all following lines at the same nesting level should
614 be indented just like this one; a list says that following lines might
615 call for different indentations.  This makes a difference when the
616 indentation is being computed by @kbd{C-M-q}; if the value is a
617 number, @kbd{C-M-q} need not recalculate indentation for the following
618 lines until the end of the list.
619 @end table