Move inclusion of unistd.h to top, else fails on
[emacs.git] / lispref / macros.texi
blob9ec722435624dc644e5c4c9e8c9b839b92e5c88b
1 @c -*-texinfo-*-
2 @c This is part of the GNU Emacs Lisp Reference Manual.
3 @c Copyright (C) 1990, 1991, 1992, 1993, 1994, 1995, 1998 Free Software Foundation, Inc. 
4 @c See the file elisp.texi for copying conditions.
5 @setfilename ../info/macros
6 @node Macros, Customization, Functions, Top
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 * Backquote::               Easier construction of list structure.
31 * Problems with Macros::    Don't evaluate the macro arguments too many times.
32                               Don't hide the user's variables.
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 @code{var} has
52 the value @code{x}---@emph{not} the @emph{value} of @code{x}.  The body
53 of the macro uses this to construct the expansion, which is @code{(setq
54 x (1+ x))}.  Once the macro definition returns this expansion, Lisp
55 proceeds to evaluate it, thus incrementing @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 the
80 value returned by the macro body is not the value of the macro call.
81 Instead, it is an alternate expression for computing that value, also
82 known as the @dfn{expansion} of the macro.  The Lisp interpreter
83 proceeds to evaluate the expansion as soon as it comes back from the
84 macro.
86   Since the expansion is evaluated in the normal manner, it may contain
87 calls to other macros.  It may even be a call to the same macro, though
88 this is unusual.
90   You can see the expansion of a given macro call by calling
91 @code{macroexpand}.
93 @defun macroexpand form &optional environment
94 @cindex macro expansion
95 This function expands @var{form}, if it is a macro call.  If the result
96 is another macro call, it is expanded in turn, until something which is
97 not a macro call results.  That is the value returned by
98 @code{macroexpand}.  If @var{form} is not a macro call to begin with, it
99 is returned as given.
101 Note that @code{macroexpand} does not look at the subexpressions of
102 @var{form} (although some macro definitions may do so).  Even if they
103 are macro calls themselves, @code{macroexpand} does not expand them.
105 The function @code{macroexpand} does not expand calls to inline functions.
106 Normally there is no need for that, since a call to an inline function is
107 no harder to understand than a call to an ordinary function.
109 If @var{environment} is provided, it specifies an alist of macro
110 definitions that shadow the currently defined macros.  Byte compilation
111 uses this feature.
113 @smallexample
114 @group
115 (defmacro inc (var)
116     (list 'setq var (list '1+ var)))
117      @result{} inc
118 @end group
120 @group
121 (macroexpand '(inc r))
122      @result{} (setq r (1+ r))
123 @end group
125 @group
126 (defmacro inc2 (var1 var2)
127     (list 'progn (list 'inc var1) (list 'inc var2)))
128      @result{} inc2
129 @end group
131 @group
132 (macroexpand '(inc2 r s))
133      @result{} (progn (inc r) (inc s))  ; @r{@code{inc} not expanded here.}
134 @end group
135 @end smallexample
136 @end defun
138 @node Compiling Macros
139 @section Macros and Byte Compilation
140 @cindex byte-compiling macros
142   You might ask why we take the trouble to compute an expansion for a
143 macro and then evaluate the expansion.  Why not have the macro body
144 produce the desired results directly?  The reason has to do with
145 compilation.
147   When a macro call appears in a Lisp program being compiled, the Lisp
148 compiler calls the macro definition just as the interpreter would, and
149 receives an expansion.  But instead of evaluating this expansion, it
150 compiles the expansion as if it had appeared directly in the program.
151 As a result, the compiled code produces the value and side effects
152 intended for the macro, but executes at full compiled speed.  This would
153 not work if the macro body computed the value and side effects
154 itself---they would be computed at compile time, which is not useful.
156   In order for compilation of macro calls to work, the macros must
157 already be defined in Lisp when the calls to them are compiled.  The
158 compiler has a special feature to help you do this: if a file being
159 compiled contains a @code{defmacro} form, the macro is defined
160 temporarily for the rest of the compilation of that file.  To make this
161 feature work, you must put the @code{defmacro} in the same file where it
162 is used, and before its first use.
164   Byte-compiling a file executes any @code{require} calls at top-level
165 in the file.  This is in case the file needs the required packages for
166 proper compilation.  One way to ensure that necessary macro definitions
167 are available during compilation is to require the files that define
168 them (@pxref{Named Features}).  To avoid loading the macro definition files
169 when someone @emph{runs} the compiled program, write
170 @code{eval-when-compile} around the @code{require} calls (@pxref{Eval
171 During Compile}).
173 @node Defining Macros
174 @section Defining Macros
176   A Lisp macro is a list whose @sc{car} is @code{macro}.  Its @sc{cdr} should
177 be a function; expansion of the macro works by applying the function
178 (with @code{apply}) to the list of unevaluated argument-expressions
179 from the macro call.
181   It is possible to use an anonymous Lisp macro just like an anonymous
182 function, but this is never done, because it does not make sense to pass
183 an anonymous macro to functionals such as @code{mapcar}.  In practice,
184 all Lisp macros have names, and they are usually defined with the
185 special form @code{defmacro}.
187 @defspec defmacro name argument-list body-forms@dots{}
188 @code{defmacro} defines the symbol @var{name} as a macro that looks
189 like this:
191 @example
192 (macro lambda @var{argument-list} . @var{body-forms})
193 @end example
195 This macro object is stored in the function cell of @var{name}.  The
196 value returned by evaluating the @code{defmacro} form is @var{name}, but
197 usually we ignore this value.
199 The shape and meaning of @var{argument-list} is the same as in a
200 function, and the keywords @code{&rest} and @code{&optional} may be used
201 (@pxref{Argument List}).  Macros may have a documentation string, but
202 any @code{interactive} declaration is ignored since macros cannot be
203 called interactively.
204 @end defspec
206 @node Backquote
207 @section Backquote
208 @cindex backquote (list substitution)
209 @cindex ` (list substitution)
210 @findex `
212   Macros often need to construct large list structures from a mixture of
213 constants and nonconstant parts.  To make this easier, use the macro
214 @samp{`} (often called @dfn{backquote}).
216   Backquote allows you to quote a list, but selectively evaluate
217 elements of that list.  In the simplest case, it is identical to the
218 special form @code{quote} (@pxref{Quoting}).  For example, these
219 two forms yield identical results:
221 @example
222 @group
223 `(a list of (+ 2 3) elements)
224      @result{} (a list of (+ 2 3) elements)
225 @end group
226 @group
227 '(a list of (+ 2 3) elements)
228      @result{} (a list of (+ 2 3) elements)
229 @end group
230 @end example
232 @findex , @r{(with Backquote)}
233 The special marker @samp{,} inside of the argument to backquote
234 indicates a value that isn't constant.  Backquote evaluates the
235 argument of @samp{,} and puts the value in the list structure:
237 @example
238 @group
239 (list 'a 'list 'of (+ 2 3) 'elements)
240      @result{} (a list of 5 elements)
241 @end group
242 @group
243 `(a list of ,(+ 2 3) elements)
244      @result{} (a list of 5 elements)
245 @end group
246 @end example
248   Substitution with @samp{,} is allowed at deeper levels of the list
249 structure also.  For example:
251 @example
252 @group
253 (defmacro t-becomes-nil (variable)
254   `(if (eq ,variable t)
255        (setq ,variable nil)))
256 @end group
258 @group
259 (t-becomes-nil foo)
260      @equiv{} (if (eq foo t) (setq foo nil))
261 @end group
262 @end example
264 @findex ,@@ @r{(with Backquote)}
265 @cindex splicing (with backquote)
266   You can also @dfn{splice} an evaluated value into the resulting list,
267 using the special marker @samp{,@@}.  The elements of the spliced list
268 become elements at the same level as the other elements of the resulting
269 list.  The equivalent code without using @samp{`} is often unreadable.
270 Here are some examples:
272 @example
273 @group
274 (setq some-list '(2 3))
275      @result{} (2 3)
276 @end group
277 @group
278 (cons 1 (append some-list '(4) some-list))
279      @result{} (1 2 3 4 2 3)
280 @end group
281 @group
282 `(1 ,@@some-list 4 ,@@some-list)
283      @result{} (1 2 3 4 2 3)
284 @end group
286 @group
287 (setq list '(hack foo bar))
288      @result{} (hack foo bar)
289 @end group
290 @group
291 (cons 'use
292   (cons 'the
293     (cons 'words (append (cdr list) '(as elements)))))
294      @result{} (use the words foo bar as elements)
295 @end group
296 @group
297 `(use the words ,@@(cdr list) as elements)
298      @result{} (use the words foo bar as elements)
299 @end group
300 @end example
302 @quotation
303 Before Emacs version 19.29, @samp{`} used a different syntax which
304 required an extra level of parentheses around the entire backquote
305 construct.  Likewise, each @samp{,} or @samp{,@@} substition required an
306 extra level of parentheses surrounding both the @samp{,} or @samp{,@@}
307 and the following expression.  The old syntax required whitespace
308 between the @samp{`}, @samp{,} or @samp{,@@} and the following
309 expression.
311 This syntax is still accepted, for compatibility with old Emacs
312 versions, but we recommend not using it in new programs.
313 @end quotation
315 @node Problems with Macros
316 @section Common Problems Using Macros
318   The basic facts of macro expansion have counterintuitive consequences.
319 This section describes some important consequences that can lead to
320 trouble, and rules to follow to avoid trouble.
322 @menu
323 * Argument Evaluation::    The expansion should evaluate each macro arg once.
324 * Surprising Local Vars::  Local variable bindings in the expansion
325                               require special care.
326 * Eval During Expansion::  Don't evaluate them; put them in the expansion.
327 * Repeated Expansion::     Avoid depending on how many times expansion is done.
328 @end menu
330 @node Argument Evaluation
331 @subsection Evaluating Macro Arguments Repeatedly
333   When defining a macro you must pay attention to the number of times
334 the arguments will be evaluated when the expansion is executed.  The
335 following macro (used to facilitate iteration) illustrates the problem.
336 This macro allows us to write a simple ``for'' loop such as one might
337 find in Pascal.
339 @findex for
340 @smallexample
341 @group
342 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
343   "Execute a simple \"for\" loop.
344 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
345   (list 'let (list (list var init))
346         (cons 'while (cons (list '<= var final)
347                            (append body (list (list 'inc var)))))))
348 @end group
349 @result{} for
351 @group
352 (for i from 1 to 3 do
353    (setq square (* i i))
354    (princ (format "\n%d %d" i square)))
355 @expansion{}
356 @end group
357 @group
358 (let ((i 1))
359   (while (<= i 3)
360     (setq square (* i i))
361     (princ (format "%d      %d" i square))
362     (inc i)))
363 @end group
364 @group
366      @print{}1       1
367      @print{}2       4
368      @print{}3       9
369 @result{} nil
370 @end group
371 @end smallexample
373 @noindent
374 (The arguments @code{from}, @code{to}, and @code{do} in this macro are
375 ``syntactic sugar''; they are entirely ignored.  The idea is that you
376 will write noise words (such as @code{from}, @code{to}, and @code{do})
377 in those positions in the macro call.)
379 Here's an equivalent definition simplified through use of backquote:
381 @smallexample
382 @group
383 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
384   "Execute a simple \"for\" loop.
385 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
386   `(let ((,var ,init))
387      (while (<= ,var ,final)
388        ,@@body
389        (inc ,var))))
390 @end group
391 @end smallexample
393 Both forms of this definition (with backquote and without) suffer from
394 the defect that @var{final} is evaluated on every iteration.  If
395 @var{final} is a constant, this is not a problem.  If it is a more
396 complex form, say @code{(long-complex-calculation x)}, this can slow
397 down the execution significantly.  If @var{final} has side effects,
398 executing it more than once is probably incorrect.
400 @cindex macro argument evaluation
401 A well-designed macro definition takes steps to avoid this problem by
402 producing an expansion that evaluates the argument expressions exactly
403 once unless repeated evaluation is part of the intended purpose of the
404 macro.  Here is a correct expansion for the @code{for} macro:
406 @smallexample
407 @group
408 (let ((i 1)
409       (max 3))
410   (while (<= i max)
411     (setq square (* i i))
412     (princ (format "%d      %d" i square))
413     (inc i)))
414 @end group
415 @end smallexample
417 Here is a macro definition that creates this expansion: 
419 @smallexample
420 @group
421 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
422   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
423   `(let ((,var ,init)
424          (max ,final))
425      (while (<= ,var max)
426        ,@@body
427        (inc ,var))))
428 @end group
429 @end smallexample
431   Unfortunately, this introduces another problem.
432 @ifinfo
433 Proceed to the following node.
434 @end ifinfo
436 @node Surprising Local Vars
437 @subsection Local Variables in Macro Expansions
439 @ifinfo
440   In the previous section, the definition of @code{for} was fixed as
441 follows to make the expansion evaluate the macro arguments the proper
442 number of times:
444 @smallexample
445 @group
446 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
447   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
448 @end group
449 @group
450   `(let ((,var ,init)
451          (max ,final))
452      (while (<= ,var max)
453        ,@@body
454        (inc ,var))))
455 @end group
456 @end smallexample
457 @end ifinfo
459   The new definition of @code{for} has a new problem: it introduces a
460 local variable named @code{max} which the user does not expect.  This
461 causes trouble in examples such as the following:
463 @smallexample
464 @group
465 (let ((max 0))
466   (for x from 0 to 10 do
467     (let ((this (frob x)))
468       (if (< max this)
469           (setq max this)))))
470 @end group
471 @end smallexample
473 @noindent
474 The references to @code{max} inside the body of the @code{for}, which
475 are supposed to refer to the user's binding of @code{max}, really access
476 the binding made by @code{for}.
478 The way to correct this is to use an uninterned symbol instead of
479 @code{max} (@pxref{Creating Symbols}).  The uninterned symbol can be
480 bound and referred to just like any other symbol, but since it is
481 created by @code{for}, we know that it cannot already appear in the
482 user's program.  Since it is not interned, there is no way the user can
483 put it into the program later.  It will never appear anywhere except
484 where put by @code{for}.  Here is a definition of @code{for} that works
485 this way:
487 @smallexample
488 @group
489 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
490   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
491   (let ((tempvar (make-symbol "max")))
492     `(let ((,var ,init)
493            (,tempvar ,final))
494        (while (<= ,var ,tempvar)
495          ,@@body
496          (inc ,var)))))
497 @end group
498 @end smallexample
500 @noindent
501 This creates an uninterned symbol named @code{max} and puts it in the
502 expansion instead of the usual interned symbol @code{max} that appears
503 in expressions ordinarily.
505 @node Eval During Expansion
506 @subsection Evaluating Macro Arguments in Expansion
508   Another problem can happen if you the macro definition itself
509 evaluates any of the macro argument expressions, such as by calling
510 @code{eval} (@pxref{Eval}).  If the argument is supposed to refer to the
511 user's variables, you may have trouble if the user happens to use a
512 variable with the same name as one of the macro arguments.  Inside the
513 macro body, the macro argument binding is the most local binding of this
514 variable, so any references inside the form being evaluated do refer to
515 it.  Here is an example:
517 @example
518 @group
519 (defmacro foo (a)
520   (list 'setq (eval a) t))
521      @result{} foo
522 @end group
523 @group
524 (setq x 'b)
525 (foo x) @expansion{} (setq b t)
526      @result{} t                  ; @r{and @code{b} has been set.}
527 ;; @r{but}
528 (setq a 'c)
529 (foo a) @expansion{} (setq a t)
530      @result{} t                  ; @r{but this set @code{a}, not @code{c}.}
532 @end group
533 @end example
535   It makes a difference whether the user's variable is named @code{a} or
536 @code{x}, because @code{a} conflicts with the macro argument variable
537 @code{a}.
539   Another reason not to call @code{eval} in a macro definition is that
540 it probably won't do what you intend in a compiled program.  The
541 byte-compiler runs macro definitions while compiling the program, when
542 the program's own computations (which you might have wished to access
543 with @code{eval}) don't occur and its local variable bindings don't
544 exist.
546   The safe way to work with the run-time value of an expression is to
547 put the expression into the macro expansion, so that its value is
548 computed as part of executing the expansion.  This is what the other
549 examples in this chapter do.
551 @node Repeated Expansion
552 @subsection How Many Times is the Macro Expanded?
554   Occasionally problems result from the fact that a macro call is
555 expanded each time it is evaluated in an interpreted function, but is
556 expanded only once (during compilation) for a compiled function.  If the
557 macro definition has side effects, they will work differently depending
558 on how many times the macro is expanded.
560   In particular, constructing objects is a kind of side effect.  If the
561 macro is called once, then the objects are constructed only once.  In
562 other words, the same structure of objects is used each time the macro
563 call is executed.  In interpreted operation, the macro is reexpanded
564 each time, producing a fresh collection of objects each time.  Usually
565 this does not matter---the objects have the same contents whether they
566 are shared or not.  But if the surrounding program does side effects
567 on the objects, it makes a difference whether they are shared.  Here is
568 an example:
570 @lisp
571 @group
572 (defmacro empty-object ()
573   (list 'quote (cons nil nil)))
574 @end group
576 @group
577 (defun initialize (condition)
578   (let ((object (empty-object)))
579     (if condition
580         (setcar object condition))
581     object))
582 @end group
583 @end lisp
585 @noindent
586 If @code{initialize} is interpreted, a new list @code{(nil)} is
587 constructed each time @code{initialize} is called.  Thus, no side effect
588 survives between calls.  If @code{initialize} is compiled, then the
589 macro @code{empty-object} is expanded during compilation, producing a
590 single ``constant'' @code{(nil)} that is reused and altered each time
591 @code{initialize} is called.
593 One way to avoid pathological cases like this is to think of
594 @code{empty-object} as a funny kind of constant, not as a memory
595 allocation construct.  You wouldn't use @code{setcar} on a constant such
596 as @code{'(nil)}, so naturally you won't use it on @code{(empty-object)}
597 either.