* eval.c (backtrace_function, backtrace_args): Now EXTERNALLY_VISIBLE.
[emacs.git] / doc / lispref / macros.texi
blob5520bbbd1dfa7bffd5ea14d64fab339adb4f81e5
1 @c -*-texinfo-*-
2 @c This is part of the GNU Emacs Lisp Reference Manual.
3 @c Copyright (C) 1990-1995, 1998, 2001-2013 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 @node Expansion
59 @section Expansion of a Macro Call
60 @cindex expansion of macros
61 @cindex macro call
63   A macro call looks just like a function call in that it is a list which
64 starts with the name of the macro.  The rest of the elements of the list
65 are the arguments of the macro.
67   Evaluation of the macro call begins like evaluation of a function call
68 except for one crucial difference: the macro arguments are the actual
69 expressions appearing in the macro call.  They are not evaluated before
70 they are given to the macro definition.  By contrast, the arguments of a
71 function are results of evaluating the elements of the function call
72 list.
74   Having obtained the arguments, Lisp invokes the macro definition just
75 as a function is invoked.  The argument variables of the macro are bound
76 to the argument values from the macro call, or to a list of them in the
77 case of a @code{&rest} argument.  And the macro body executes and
78 returns its value just as a function body does.
80   The second crucial difference between macros and functions is that
81 the value returned by the macro body is an alternate Lisp expression,
82 also 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   Note that Emacs tries to expand macros when loading an uncompiled
91 Lisp file.  This is not always possible, but if it is, it speeds up
92 subsequent execution.  @xref{How Programs Do Loading}.
94   You can see the expansion of a given macro call by calling
95 @code{macroexpand}.
97 @defun macroexpand form &optional environment
98 @cindex macro expansion
99 This function expands @var{form}, if it is a macro call.  If the result
100 is another macro call, it is expanded in turn, until something which is
101 not a macro call results.  That is the value returned by
102 @code{macroexpand}.  If @var{form} is not a macro call to begin with, it
103 is returned as given.
105 Note that @code{macroexpand} does not look at the subexpressions of
106 @var{form} (although some macro definitions may do so).  Even if they
107 are macro calls themselves, @code{macroexpand} does not expand them.
109 The function @code{macroexpand} does not expand calls to inline functions.
110 Normally there is no need for that, since a call to an inline function is
111 no harder to understand than a call to an ordinary function.
113 If @var{environment} is provided, it specifies an alist of macro
114 definitions that shadow the currently defined macros.  Byte compilation
115 uses this feature.
117 @example
118 @group
119 (defmacro inc (var)
120     (list 'setq var (list '1+ var)))
121 @end group
123 @group
124 (macroexpand '(inc r))
125      @result{} (setq r (1+ r))
126 @end group
128 @group
129 (defmacro inc2 (var1 var2)
130     (list 'progn (list 'inc var1) (list 'inc var2)))
131 @end group
133 @group
134 (macroexpand '(inc2 r s))
135      @result{} (progn (inc r) (inc s))  ; @r{@code{inc} not expanded here.}
136 @end group
137 @end example
138 @end defun
141 @defun macroexpand-all form &optional environment
142 @code{macroexpand-all} expands macros like @code{macroexpand}, but
143 will look for and expand all macros in @var{form}, not just at the
144 top-level.  If no macros are expanded, the return value is @code{eq}
145 to @var{form}.
147 Repeating the example used for @code{macroexpand} above with
148 @code{macroexpand-all}, we see that @code{macroexpand-all} @emph{does}
149 expand the embedded calls to @code{inc}:
151 @example
152 (macroexpand-all '(inc2 r s))
153      @result{} (progn (setq r (1+ r)) (setq s (1+ s)))
154 @end example
156 @end defun
158 @node Compiling Macros
159 @section Macros and Byte Compilation
160 @cindex byte-compiling macros
162   You might ask why we take the trouble to compute an expansion for a
163 macro and then evaluate the expansion.  Why not have the macro body
164 produce the desired results directly?  The reason has to do with
165 compilation.
167   When a macro call appears in a Lisp program being compiled, the Lisp
168 compiler calls the macro definition just as the interpreter would, and
169 receives an expansion.  But instead of evaluating this expansion, it
170 compiles the expansion as if it had appeared directly in the program.
171 As a result, the compiled code produces the value and side effects
172 intended for the macro, but executes at full compiled speed.  This would
173 not work if the macro body computed the value and side effects
174 itself---they would be computed at compile time, which is not useful.
176   In order for compilation of macro calls to work, the macros must
177 already be defined in Lisp when the calls to them are compiled.  The
178 compiler has a special feature to help you do this: if a file being
179 compiled contains a @code{defmacro} form, the macro is defined
180 temporarily for the rest of the compilation of that file.
182   Byte-compiling a file also executes any @code{require} calls at
183 top-level in the file, so you can ensure that necessary macro
184 definitions are available during compilation by requiring the files
185 that define them (@pxref{Named Features}).  To avoid loading the macro
186 definition files when someone @emph{runs} the compiled program, write
187 @code{eval-when-compile} around the @code{require} calls (@pxref{Eval
188 During Compile}).
190 @node Defining Macros
191 @section Defining Macros
193   A Lisp macro object is a list whose @sc{car} is @code{macro}, and
194 whose @sc{cdr} is a lambda expression.  Expansion of the macro works
195 by applying the lambda expression (with @code{apply}) to the list of
196 @emph{unevaluated} arguments from the macro call.
198   It is possible to use an anonymous Lisp macro just like an anonymous
199 function, but this is never done, because it does not make sense to
200 pass an anonymous macro to functionals such as @code{mapcar}.  In
201 practice, all Lisp macros have names, and they are almost always
202 defined with the @code{defmacro} macro.
204 @defmac defmacro name args [doc] [declare] body@dots{}
205 @code{defmacro} defines the symbol @var{name} (which should not be
206 quoted) as a macro that looks like this:
208 @example
209 (macro lambda @var{args} . @var{body})
210 @end example
212 (Note that the @sc{cdr} of this list is a lambda expression.)  This
213 macro object is stored in the function cell of @var{name}.  The
214 meaning of @var{args} is the same as in a function, and the keywords
215 @code{&rest} and @code{&optional} may be used (@pxref{Argument List}).
216 Neither @var{name} nor @var{args} should be quoted.  The return value
217 of @code{defmacro} is undefined.
219 @var{doc}, if present, should be a string specifying the macro's
220 documentation string.  @var{declare}, if present, should be a
221 @code{declare} form specifying metadata for the macro (@pxref{Declare
222 Form}).  Note that macros cannot have interactive declarations, since
223 they cannot be called interactively.
224 @end defmac
226   Macros often need to construct large list structures from a mixture
227 of constants and nonconstant parts.  To make this easier, use the
228 @samp{`} syntax (@pxref{Backquote}).  For example:
230 @example
231 @example
232 @group
233 (defmacro t-becomes-nil (variable)
234   `(if (eq ,variable t)
235        (setq ,variable nil)))
236 @end group
238 @group
239 (t-becomes-nil foo)
240      @equiv{} (if (eq foo t) (setq foo nil))
241 @end group
242 @end example
243 @end example
245   The body of a macro definition can include a @code{declare} form,
246 which specifies additional properties about the macro.  @xref{Declare
247 Form}.
249 @node Problems with Macros
250 @section Common Problems Using Macros
252   Macro expansion can have counterintuitive consequences.  This
253 section describes some important consequences that can lead to
254 trouble, and rules to follow to avoid trouble.
256 @menu
257 * Wrong Time::             Do the work in the expansion, not in the macro.
258 * Argument Evaluation::    The expansion should evaluate each macro arg once.
259 * Surprising Local Vars::  Local variable bindings in the expansion
260                               require special care.
261 * Eval During Expansion::  Don't evaluate them; put them in the expansion.
262 * Repeated Expansion::     Avoid depending on how many times expansion is done.
263 @end menu
265 @node Wrong Time
266 @subsection Wrong Time
268   The most common problem in writing macros is doing some of the
269 real work prematurely---while expanding the macro, rather than in the
270 expansion itself.  For instance, one real package had this macro
271 definition:
273 @example
274 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
275   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
276       (set-buffer-multibyte arg)))
277 @end example
279 With this erroneous macro definition, the program worked fine when
280 interpreted but failed when compiled.  This macro definition called
281 @code{set-buffer-multibyte} during compilation, which was wrong, and
282 then did nothing when the compiled package was run.  The definition
283 that the programmer really wanted was this:
285 @example
286 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
287   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
288       `(set-buffer-multibyte ,arg)))
289 @end example
291 @noindent
292 This macro expands, if appropriate, into a call to
293 @code{set-buffer-multibyte} that will be executed when the compiled
294 program is actually run.
296 @node Argument Evaluation
297 @subsection Evaluating Macro Arguments Repeatedly
299   When defining a macro you must pay attention to the number of times
300 the arguments will be evaluated when the expansion is executed.  The
301 following macro (used to facilitate iteration) illustrates the
302 problem.  This macro allows us to write a ``for'' loop construct.
304 @findex for
305 @example
306 @group
307 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
308   "Execute a simple \"for\" loop.
309 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
310   (list 'let (list (list var init))
311         (cons 'while
312               (cons (list '<= var final)
313                     (append body (list (list 'inc var)))))))
314 @end group
316 @group
317 (for i from 1 to 3 do
318    (setq square (* i i))
319    (princ (format "\n%d %d" i square)))
320 @expansion{}
321 @end group
322 @group
323 (let ((i 1))
324   (while (<= i 3)
325     (setq square (* i i))
326     (princ (format "\n%d %d" i square))
327     (inc i)))
328 @end group
329 @group
331      @print{}1       1
332      @print{}2       4
333      @print{}3       9
334 @result{} nil
335 @end group
336 @end example
338 @noindent
339 The arguments @code{from}, @code{to}, and @code{do} in this macro are
340 ``syntactic sugar''; they are entirely ignored.  The idea is that you
341 will write noise words (such as @code{from}, @code{to}, and @code{do})
342 in those positions in the macro call.
344 Here's an equivalent definition simplified through use of backquote:
346 @example
347 @group
348 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
349   "Execute a simple \"for\" loop.
350 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
351   `(let ((,var ,init))
352      (while (<= ,var ,final)
353        ,@@body
354        (inc ,var))))
355 @end group
356 @end example
358 Both forms of this definition (with backquote and without) suffer from
359 the defect that @var{final} is evaluated on every iteration.  If
360 @var{final} is a constant, this is not a problem.  If it is a more
361 complex form, say @code{(long-complex-calculation x)}, this can slow
362 down the execution significantly.  If @var{final} has side effects,
363 executing it more than once is probably incorrect.
365 @cindex macro argument evaluation
366 A well-designed macro definition takes steps to avoid this problem by
367 producing an expansion that evaluates the argument expressions exactly
368 once unless repeated evaluation is part of the intended purpose of the
369 macro.  Here is a correct expansion for the @code{for} macro:
371 @example
372 @group
373 (let ((i 1)
374       (max 3))
375   (while (<= i max)
376     (setq square (* i i))
377     (princ (format "%d      %d" i square))
378     (inc i)))
379 @end group
380 @end example
382 Here is a macro definition that creates this expansion:
384 @example
385 @group
386 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
387   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
388   `(let ((,var ,init)
389          (max ,final))
390      (while (<= ,var max)
391        ,@@body
392        (inc ,var))))
393 @end group
394 @end example
396   Unfortunately, this fix introduces another problem,
397 described in the following section.
399 @node Surprising Local Vars
400 @subsection Local Variables in Macro Expansions
402 @ifnottex
403   In the previous section, the definition of @code{for} was fixed as
404 follows to make the expansion evaluate the macro arguments the proper
405 number of times:
407 @example
408 @group
409 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
410   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
411 @end group
412 @group
413   `(let ((,var ,init)
414          (max ,final))
415      (while (<= ,var max)
416        ,@@body
417        (inc ,var))))
418 @end group
419 @end example
420 @end ifnottex
422   The new definition of @code{for} has a new problem: it introduces a
423 local variable named @code{max} which the user does not expect.  This
424 causes trouble in examples such as the following:
426 @example
427 @group
428 (let ((max 0))
429   (for x from 0 to 10 do
430     (let ((this (frob x)))
431       (if (< max this)
432           (setq max this)))))
433 @end group
434 @end example
436 @noindent
437 The references to @code{max} inside the body of the @code{for}, which
438 are supposed to refer to the user's binding of @code{max}, really access
439 the binding made by @code{for}.
441 The way to correct this is to use an uninterned symbol instead of
442 @code{max} (@pxref{Creating Symbols}).  The uninterned symbol can be
443 bound and referred to just like any other symbol, but since it is
444 created by @code{for}, we know that it cannot already appear in the
445 user's program.  Since it is not interned, there is no way the user can
446 put it into the program later.  It will never appear anywhere except
447 where put by @code{for}.  Here is a definition of @code{for} that works
448 this way:
450 @example
451 @group
452 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
453   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
454   (let ((tempvar (make-symbol "max")))
455     `(let ((,var ,init)
456            (,tempvar ,final))
457        (while (<= ,var ,tempvar)
458          ,@@body
459          (inc ,var)))))
460 @end group
461 @end example
463 @noindent
464 This creates an uninterned symbol named @code{max} and puts it in the
465 expansion instead of the usual interned symbol @code{max} that appears
466 in expressions ordinarily.
468 @node Eval During Expansion
469 @subsection Evaluating Macro Arguments in Expansion
471   Another problem can happen if the macro definition itself
472 evaluates any of the macro argument expressions, such as by calling
473 @code{eval} (@pxref{Eval}).  If the argument is supposed to refer to the
474 user's variables, you may have trouble if the user happens to use a
475 variable with the same name as one of the macro arguments.  Inside the
476 macro body, the macro argument binding is the most local binding of this
477 variable, so any references inside the form being evaluated do refer to
478 it.  Here is an example:
480 @example
481 @group
482 (defmacro foo (a)
483   (list 'setq (eval a) t))
484 @end group
485 @group
486 (setq x 'b)
487 (foo x) @expansion{} (setq b t)
488      @result{} t                  ; @r{and @code{b} has been set.}
489 ;; @r{but}
490 (setq a 'c)
491 (foo a) @expansion{} (setq a t)
492      @result{} t                  ; @r{but this set @code{a}, not @code{c}.}
494 @end group
495 @end example
497   It makes a difference whether the user's variable is named @code{a} or
498 @code{x}, because @code{a} conflicts with the macro argument variable
499 @code{a}.
501   Another problem with calling @code{eval} in a macro definition is that
502 it probably won't do what you intend in a compiled program.  The
503 byte compiler runs macro definitions while compiling the program, when
504 the program's own computations (which you might have wished to access
505 with @code{eval}) don't occur and its local variable bindings don't
506 exist.
508   To avoid these problems, @strong{don't evaluate an argument expression
509 while computing the macro expansion}.  Instead, substitute the
510 expression into the macro expansion, so that its value will be computed
511 as part of executing the expansion.  This is how the other examples in
512 this chapter work.
514 @node Repeated Expansion
515 @subsection How Many Times is the Macro Expanded?
517   Occasionally problems result from the fact that a macro call is
518 expanded each time it is evaluated in an interpreted function, but is
519 expanded only once (during compilation) for a compiled function.  If the
520 macro definition has side effects, they will work differently depending
521 on how many times the macro is expanded.
523   Therefore, you should avoid side effects in computation of the
524 macro expansion, unless you really know what you are doing.
526   One special kind of side effect can't be avoided: constructing Lisp
527 objects.  Almost all macro expansions include constructed lists; that is
528 the whole point of most macros.  This is usually safe; there is just one
529 case where you must be careful: when the object you construct is part of a
530 quoted constant in the macro expansion.
532   If the macro is expanded just once, in compilation, then the object is
533 constructed just once, during compilation.  But in interpreted
534 execution, the macro is expanded each time the macro call runs, and this
535 means a new object is constructed each time.
537   In most clean Lisp code, this difference won't matter.  It can matter
538 only if you perform side-effects on the objects constructed by the macro
539 definition.  Thus, to avoid trouble, @strong{avoid side effects on
540 objects constructed by macro definitions}.  Here is an example of how
541 such side effects can get you into trouble:
543 @lisp
544 @group
545 (defmacro empty-object ()
546   (list 'quote (cons nil nil)))
547 @end group
549 @group
550 (defun initialize (condition)
551   (let ((object (empty-object)))
552     (if condition
553         (setcar object condition))
554     object))
555 @end group
556 @end lisp
558 @noindent
559 If @code{initialize} is interpreted, a new list @code{(nil)} is
560 constructed each time @code{initialize} is called.  Thus, no side effect
561 survives between calls.  If @code{initialize} is compiled, then the
562 macro @code{empty-object} is expanded during compilation, producing a
563 single ``constant'' @code{(nil)} that is reused and altered each time
564 @code{initialize} is called.
566 One way to avoid pathological cases like this is to think of
567 @code{empty-object} as a funny kind of constant, not as a memory
568 allocation construct.  You wouldn't use @code{setcar} on a constant such
569 as @code{'(nil)}, so naturally you won't use it on @code{(empty-object)}
570 either.
572 @node Indenting Macros
573 @section Indenting Macros
575   Within a macro definition, you can use the @code{declare} form
576 (@pxref{Defining Macros}) to specify how @key{TAB} should indent
577 calls to the macro.  An indentation specification is written like this:
579 @example
580 (declare (indent @var{indent-spec}))
581 @end example
583 @noindent
584 Here are the possibilities for @var{indent-spec}:
586 @table @asis
587 @item @code{nil}
588 This is the same as no property---use the standard indentation pattern.
589 @item @code{defun}
590 Handle this function like a @samp{def} construct: treat the second
591 line as the start of a @dfn{body}.
592 @item an integer, @var{number}
593 The first @var{number} arguments of the function are
594 @dfn{distinguished} arguments; the rest are considered the body
595 of the expression.  A line in the expression is indented according to
596 whether the first argument on it is distinguished or not.  If the
597 argument is part of the body, the line is indented @code{lisp-body-indent}
598 more columns than the open-parenthesis starting the containing
599 expression.  If the argument is distinguished and is either the first
600 or second argument, it is indented @emph{twice} that many extra columns.
601 If the argument is distinguished and not the first or second argument,
602 the line uses the standard pattern.
603 @item a symbol, @var{symbol}
604 @var{symbol} should be a function name; that function is called to
605 calculate the indentation of a line within this expression.  The
606 function receives two arguments:
608 @table @asis
609 @item @var{pos}
610 The position at which the line being indented begins.
611 @item @var{state}
612 The value returned by @code{parse-partial-sexp} (a Lisp primitive for
613 indentation and nesting computation) when it parses up to the
614 beginning of this line.
615 @end table
617 @noindent
618 It should return either a number, which is the number of columns of
619 indentation for that line, or a list whose car is such a number.  The
620 difference between returning a number and returning a list is that a
621 number says that all following lines at the same nesting level should
622 be indented just like this one; a list says that following lines might
623 call for different indentations.  This makes a difference when the
624 indentation is being computed by @kbd{C-M-q}; if the value is a
625 number, @kbd{C-M-q} need not recalculate indentation for the following
626 lines until the end of the list.
627 @end table