Drop the trailing slash.
[emacs.git] / lispref / macros.texi
blob49d2d8e639d5631aff1c6b1a85cdabec3891eb7c
1 @c -*-texinfo-*-
2 @c This is part of the GNU Emacs Lisp Reference Manual.
3 @c Copyright (C) 1990, 1991, 1992, 1993, 1994 Free Software Foundation, Inc. 
4 @c See the file elisp.texi for copying conditions.
5 @setfilename ../info/macros
6 @node Macros, Loading, 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 be
157 defined in Lisp when the calls to them are compiled.  The compiler has a
158 special feature to help you do this: if a file being compiled contains a
159 @code{defmacro} form, the macro is defined temporarily for the rest of
160 the compilation of that file.  To use this feature, you must define the
161 macro in the same file where it is used and before its first use.
163   Byte-compiling a file executes any @code{require} calls at top-level
164 in the file.  This is in case the file needs the required packages for
165 proper compilation.  One way to ensure that necessary macro definitions
166 are available during compilation is to require the file that defines
167 them.  @xref{Features}.
169 @node Defining Macros
170 @section Defining Macros
172   A Lisp macro is a list whose @sc{car} is @code{macro}.  Its @sc{cdr} should
173 be a function; expansion of the macro works by applying the function
174 (with @code{apply}) to the list of unevaluated argument-expressions
175 from the macro call.
177   It is possible to use an anonymous Lisp macro just like an anonymous
178 function, but this is never done, because it does not make sense to pass
179 an anonymous macro to mapping functions such as @code{mapcar}.  In
180 practice, all Lisp macros have names, and they are usually defined with
181 the special form @code{defmacro}.
183 @defspec defmacro name argument-list body-forms@dots{}
184 @code{defmacro} defines the symbol @var{name} as a macro that looks
185 like this:
187 @example
188 (macro lambda @var{argument-list} . @var{body-forms})
189 @end example
191 This macro object is stored in the function cell of @var{name}.  The
192 value returned by evaluating the @code{defmacro} form is @var{name}, but
193 usually we ignore this value.
195 The shape and meaning of @var{argument-list} is the same as in a
196 function, and the keywords @code{&rest} and @code{&optional} may be used
197 (@pxref{Argument List}).  Macros may have a documentation string, but
198 any @code{interactive} declaration is ignored since macros cannot be
199 called interactively.
200 @end defspec
202 @node Backquote
203 @section Backquote
204 @cindex backquote (list substitution)
205 @cindex ` (list substitution)
207   Macros often need to construct large list structures from a mixture of
208 constants and nonconstant parts.  To make this easier, use the macro
209 @code{`} (often called @dfn{backquote}).
211   Backquote allows you to quote a list, but selectively evaluate
212 elements of that list.  In the simplest case, it is identical to the
213 special form @code{quote} (@pxref{Quoting}).  For example, these
214 two forms yield identical results:
216 @example
217 @group
218 (` (a list of (+ 2 3) elements))
219      @result{} (a list of (+ 2 3) elements)
220 @end group
221 @group
222 (quote (a list of (+ 2 3) elements))
223      @result{} (a list of (+ 2 3) elements)
224 @end group
225 @end example
227 @findex , @{(with Backquote)}
228 The special marker, @code{,}, inside of the argument to backquote,
229 indicates a value that isn't constant.  Backquote evaluates the
230 argument of @code{,} and puts the value in the list structure:
232 @example
233 @group
234 (list 'a 'list 'of (+ 2 3) 'elements)
235      @result{} (a list of 5 elements)
236 @end group
237 @group
238 (` (a list of (, (+ 2 3)) elements))
239      @result{} (a list of 5 elements)
240 @end group
241 @end example
243 @findex ,@@ @{(with Backquote)}
244 @cindex splicing (with backquote)
245 You can also @dfn{splice} an evaluated value into the resulting list,
246 using the special marker @code{,@@}.  The elements of the spliced list
247 become elements at the same level as the other elements of the resulting
248 list.  The equivalent code without using @code{`} is often unreadable.
249 Here are some examples:
251 @example
252 @group
253 (setq some-list '(2 3))
254      @result{} (2 3)
255 @end group
256 @group
257 (cons 1 (append some-list '(4) some-list))
258      @result{} (1 2 3 4 2 3)
259 @end group
260 @group
261 (` (1 (,@@ some-list) 4 (,@@ some-list)))
262      @result{} (1 2 3 4 2 3)
263 @end group
265 @group
266 (setq list '(hack foo bar))
267      @result{} (hack foo bar)
268 @end group
269 @group
270 (cons 'use
271   (cons 'the
272     (cons 'words (append (cdr list) '(as elements)))))
273      @result{} (use the words foo bar as elements)
274 @end group
275 @group
276 (` (use the words (,@@ (cdr list)) as elements))
277      @result{} (use the words foo bar as elements)
278 @end group
279 @end example
281 Emacs 18 had a bug which made the previous example fail.  The bug
282 affected @code{,@@} followed only by constant elements.  If you are
283 concerned with Emacs 18 compatibility, you can work around the bug like
284 this:
286 @example
287 (` (use the words (,@@ (cdr list)) as elements @code{(,@@ nil)}))
288 @end example
290 @noindent
291 @code{(,@@ nil)} avoids the problem by being a nonconstant element that
292 does not affect the result.
294 @defmac ` list
295 This macro quotes @var{list} except for any sublists of the form
296 @code{(, @var{subexp})} or @code{(,@@ @var{listexp})}.  Backquote
297 replaces these sublists with the value of @var{subexp} (as a single
298 element) or @var{listexp} (by splicing).  Backquote copies the structure
299 of @var{list} down to the places where variable parts are substituted.
301 @ignore  @c these work now!
302 There are certain contexts in which @samp{,} would not be recognized and
303 should not be used:
305 @smallexample
306 @group
307 ;; @r{Use of a @samp{,} expression as the @sc{cdr} of a list.}
308 (` (a . (, 1)))                             ; @r{Not @code{(a . 1)}}
309      @result{} (a \, 1)                                
310 @end group
312 @group
313 ;; @r{Use of @samp{,} in a vector.}
314 (` [a (, 1) c])                             ; @r{Not @code{[a 1 c]}}
315      @error{} Wrong type argument                      
316 @end group
317 @end smallexample
318 @end ignore
319 @end defmac
321 @cindex CL note---@samp{,}, @samp{,@@} as functions
322 @quotation
323 @b{Common Lisp note:} in Common Lisp, @samp{,} and @samp{,@@} are implemented
324 as reader macros, so they do not require parentheses.  Emacs Lisp implements
325 them as functions because reader macros are not supported (to save space).
326 @end quotation
328 @node Problems with Macros
329 @section Common Problems Using Macros
331   The basic facts of macro expansion have counterintuitive consequences.
332 This section describes some important consequences that can lead to
333 trouble, and rules to follow to avoid trouble.
335 @menu
336 * Argument Evaluation::    The expansion should evaluate each macro arg once.
337 * Surprising Local Vars::  Local variable bindings in the expansion
338                               require special care.
339 * Eval During Expansion::  Don't evaluate them; put them in the expansion.
340 * Repeated Expansion::     Avoid depending on how many times expansion is done.
341 @end menu
343 @node Argument Evaluation
344 @subsection Evaluating Macro Arguments Repeatedly
346   When defining a macro you must pay attention to the number of times
347 the arguments will be evaluated when the expansion is executed.  The
348 following macro (used to facilitate iteration) illustrates the problem.
349 This macro allows us to write a simple ``for'' loop such as one might
350 find in Pascal.
352 @findex for
353 @smallexample
354 @group
355 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
356   "Execute a simple \"for\" loop.
357 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
358   (list 'let (list (list var init))
359         (cons 'while (cons (list '<= var final)
360                            (append body (list (list 'inc var)))))))
361 @end group
362 @result{} for
364 @group
365 (for i from 1 to 3 do
366    (setq square (* i i))
367    (princ (format "\n%d %d" i square)))
368 @expansion{}
369 @end group
370 @group
371 (let ((i 1))
372   (while (<= i 3)
373     (setq square (* i i))
374     (princ (format "%d      %d" i square))
375     (inc i)))
376 @end group
377 @group
379      @print{}1       1
380      @print{}2       4
381      @print{}3       9
382 @result{} nil
383 @end group
384 @end smallexample
386 @noindent
387 (The arguments @code{from}, @code{to}, and @code{do} in this macro are
388 ``syntactic sugar''; they are entirely ignored.  The idea is that you
389 will write noise words (such as @code{from}, @code{to}, and @code{do})
390 in those positions in the macro call.)
392 This macro suffers from the defect that @var{final} is evaluated on
393 every iteration.  If @var{final} is a constant, this is not a problem.
394 If it is a more complex form, say @code{(long-complex-calculation x)},
395 this can slow down the execution significantly.  If @var{final} has side
396 effects, executing it more than once is probably incorrect.
398 @cindex macro argument evaluation
399 A well-designed macro definition takes steps to avoid this problem by
400 producing an expansion that evaluates the argument expressions exactly
401 once unless repeated evaluation is part of the intended purpose of the
402 macro.  Here is a correct expansion for the @code{for} macro:
404 @smallexample
405 @group
406 (let ((i 1)
407       (max 3))
408   (while (<= i max)
409     (setq square (* i i))
410     (princ (format "%d      %d" i square))
411     (inc i)))
412 @end group
413 @end smallexample
415 Here is a macro definition that creates this expansion: 
417 @smallexample
418 @group
419 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
420   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
421   (` (let (((, var) (, init))
422            (max (, final)))
423        (while (<= (, var) max)
424          (,@@ body)
425          (inc (, var))))))
426 @end group
427 @end smallexample
429   Unfortunately, this introduces another problem.
430 @ifinfo
431 Proceed to the following node.
432 @end ifinfo
434 @node Surprising Local Vars
435 @subsection Local Variables in Macro Expansions
437 @ifinfo
438   In the previous section, the definition of @code{for} was fixed as
439 follows to make the expansion evaluate the macro arguments the proper
440 number of times:
442 @smallexample
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 @end group
447 @group
448   (` (let (((, var) (, init))
449            (max (, final)))
450        (while (<= (, var) max)
451          (,@@ body)
452          (inc (, var))))))
453 @end group
454 @end smallexample
455 @end ifinfo
457   The new definition of @code{for} has a new problem: it introduces a
458 local variable named @code{max} which the user does not expect.  This
459 causes trouble in examples such as the following:
461 @example
462 @group
463 (let ((max 0))
464   (for x from 0 to 10 do
465     (let ((this (frob x)))
466       (if (< max this)
467           (setq max this)))))
468 @end group
469 @end example
471 @noindent
472 The references to @code{max} inside the body of the @code{for}, which
473 are supposed to refer to the user's binding of @code{max}, really access
474 the binding made by @code{for}.
476 The way to correct this is to use an uninterned symbol instead of
477 @code{max} (@pxref{Creating Symbols}).  The uninterned symbol can be
478 bound and referred to just like any other symbol, but since it is created
479 by @code{for}, we know that it cannot appear in the user's program.
480 Since it is not interned, there is no way the user can put it into the
481 program later.  It will never appear anywhere except where put by
482 @code{for}.  Here is a definition of @code{for} which works this way:
484 @smallexample
485 @group
486 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
487   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
488   (let ((tempvar (make-symbol "max")))
489     (` (let (((, var) (, init))
490              ((, tempvar) (, final)))
491          (while (<= (, var) (, tempvar))
492                 (,@@ body)
493                 (inc (, var)))))))
494 @end group
495 @end smallexample
497 @noindent
498 This creates an uninterned symbol named @code{max} and puts it in the
499 expansion instead of the usual interned symbol @code{max} that appears
500 in expressions ordinarily.
502 @node Eval During Expansion
503 @subsection Evaluating Macro Arguments in Expansion
505   Another problem can happen if you evaluate any of the macro argument
506 expressions during the computation of the expansion, such as by calling
507 @code{eval} (@pxref{Eval}).  If the argument is supposed to refer to the
508 user's variables, you may have trouble if the user happens to use a
509 variable with the same name as one of the macro arguments.  Inside the
510 macro body, the macro argument binding is the most local binding of this
511 variable, so any references inside the form being evaluated do refer
512 to it.  Here is an example:
514 @example
515 @group
516 (defmacro foo (a)
517   (list 'setq (eval a) t))
518      @result{} foo
519 @end group
520 @group
521 (setq x 'b)
522 (foo x) @expansion{} (setq b t)
523      @result{} t                  ; @r{and @code{b} has been set.}
524 ;; @r{but}
525 (setq a 'c)
526 (foo a) @expansion{} (setq a t)
527      @result{} t                  ; @r{but this set @code{a}, not @code{c}.}
529 @end group
530 @end example
532   It makes a difference whether the user's variable is named @code{a} or
533 @code{x}, because @code{a} conflicts with the macro argument variable
534 @code{a}.
536   Another reason not to call @code{eval} in a macro definition is that
537 it probably won't do what you intend in a compiled program.  The
538 byte-compiler runs macro definitions while compiling the program, when
539 the program's own computations (which you might have wished to access
540 with @code{eval}) don't occur and its local variable bindings don't
541 exist.
543   The safe way to work with the run-time value of an expression is to
544 put the expression into the macro expansion, so that its value is
545 computed as part of executing the expansion.
547 @node Repeated Expansion
548 @subsection How Many Times is the Macro Expanded?
550   Occasionally problems result from the fact that a macro call is
551 expanded each time it is evaluated in an interpreted function, but is
552 expanded only once (during compilation) for a compiled function.  If the
553 macro definition has side effects, they will work differently depending
554 on how many times the macro is expanded.
556   In particular, constructing objects is a kind of side effect.  If the
557 macro is called once, then the objects are constructed only once.  In
558 other words, the same structure of objects is used each time the macro
559 call is executed.  In interpreted operation, the macro is reexpanded
560 each time, producing a fresh collection of objects each time.  Usually
561 this does not matter---the objects have the same contents whether they
562 are shared or not.  But if the surrounding program does side effects
563 on the objects, it makes a difference whether they are shared.  Here is
564 an example:
566 @lisp
567 @group
568 (defmacro empty-object ()
569   (list 'quote (cons nil nil)))
570 @end group
572 @group
573 (defun initialize (condition)
574   (let ((object (empty-object)))
575     (if condition
576         (setcar object condition))
577     object))
578 @end group
579 @end lisp
581 @noindent
582 If @code{initialize} is interpreted, a new list @code{(nil)} is
583 constructed each time @code{initialize} is called.  Thus, no side effect
584 survives between calls.  If @code{initialize} is compiled, then the
585 macro @code{empty-object} is expanded during compilation, producing a
586 single ``constant'' @code{(nil)} that is reused and altered each time
587 @code{initialize} is called.
589 One way to avoid pathological cases like this is to think of
590 @code{empty-object} as a funny kind of constant, not as a memory
591 allocation construct.  You wouldn't use @code{setcar} on a constant such
592 as @code{'(nil)}, so naturally you won't use it on @code{(empty-object)}
593 either.