More documentation fixes for changes to defun, defmacro, etc.
[emacs.git] / doc / lispref / macros.texi
blob8be6a3fbcde93cad6ebeedc98cbcabfee7c8f8be
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 object is a list whose @sc{car} is @code{macro}, and
189 whose @sc{cdr} is a lambda expression.  Expansion of the macro works
190 by applying the lambda expression (with @code{apply}) to the list of
191 @emph{unevaluated} arguments 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
195 pass an anonymous macro to functionals such as @code{mapcar}.  In
196 practice, all Lisp macros have names, and they are almost always
197 defined with the @code{defmacro} macro.
199 @defmac defmacro name args [doc] [declare] body@dots{}
200 @code{defmacro} defines the symbol @var{name} (which should not be
201 quoted) as a macro that looks like this:
203 @example
204 (macro lambda @var{args} . @var{body})
205 @end example
207 (Note that the @sc{cdr} of this list is a lambda expression.)  This
208 macro object is stored in the function cell of @var{name}.  The
209 meaning of @var{args} is the same as in a function, and the keywords
210 @code{&rest} and @code{&optional} may be used (@pxref{Argument List}).
211 Neither @var{name} nor @var{args} should be quoted.  The return value
212 of @code{defmacro} is undefined.
214 @var{doc}, if present, should be a string specifying the macro's
215 documentation string.  @var{declare}, if present, should be a
216 @code{declare} form specifying metadata for the macro (@pxref{Declare
217 Form}).  Note that macros cannot have interactive declarations, since
218 they cannot be called interactively.
219 @end defmac
221   Macros often need to construct large list structures from a mixture
222 of constants and nonconstant parts.  To make this easier, use the
223 @samp{`} syntax (@pxref{Backquote}).  For example:
225 @example
226 @example
227 @group
228 (defmacro t-becomes-nil (variable)
229   `(if (eq ,variable t)
230        (setq ,variable nil)))
231 @end group
233 @group
234 (t-becomes-nil foo)
235      @equiv{} (if (eq foo t) (setq foo nil))
236 @end group
237 @end example
238 @end example
240   The body of a macro definition can include a @code{declare} form,
241 which specifies additional properties about the macro.  @xref{Declare
242 Form}.
244 @node Problems with Macros
245 @section Common Problems Using Macros
247   Macro expansion can have counterintuitive consequences.  This
248 section describes some important consequences that can lead to
249 trouble, and rules to follow to avoid trouble.
251 @menu
252 * Wrong Time::             Do the work in the expansion, not in the macro.
253 * Argument Evaluation::    The expansion should evaluate each macro arg once.
254 * Surprising Local Vars::  Local variable bindings in the expansion
255                               require special care.
256 * Eval During Expansion::  Don't evaluate them; put them in the expansion.
257 * Repeated Expansion::     Avoid depending on how many times expansion is done.
258 @end menu
260 @node Wrong Time
261 @subsection Wrong Time
263   The most common problem in writing macros is doing some of the
264 real work prematurely---while expanding the macro, rather than in the
265 expansion itself.  For instance, one real package had this macro
266 definition:
268 @example
269 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
270   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
271       (set-buffer-multibyte arg)))
272 @end example
274 With this erroneous macro definition, the program worked fine when
275 interpreted but failed when compiled.  This macro definition called
276 @code{set-buffer-multibyte} during compilation, which was wrong, and
277 then did nothing when the compiled package was run.  The definition
278 that the programmer really wanted was this:
280 @example
281 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
282   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
283       `(set-buffer-multibyte ,arg)))
284 @end example
286 @noindent
287 This macro expands, if appropriate, into a call to
288 @code{set-buffer-multibyte} that will be executed when the compiled
289 program is actually run.
291 @node Argument Evaluation
292 @subsection Evaluating Macro Arguments Repeatedly
294   When defining a macro you must pay attention to the number of times
295 the arguments will be evaluated when the expansion is executed.  The
296 following macro (used to facilitate iteration) illustrates the
297 problem.  This macro allows us to write a ``for'' loop construct.
299 @findex for
300 @example
301 @group
302 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
303   "Execute a simple \"for\" loop.
304 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
305   (list 'let (list (list var init))
306         (cons 'while
307               (cons (list '<= var final)
308                     (append body (list (list 'inc var)))))))
309 @end group
311 @group
312 (for i from 1 to 3 do
313    (setq square (* i i))
314    (princ (format "\n%d %d" i square)))
315 @expansion{}
316 @end group
317 @group
318 (let ((i 1))
319   (while (<= i 3)
320     (setq square (* i i))
321     (princ (format "\n%d %d" i square))
322     (inc i)))
323 @end group
324 @group
326      @print{}1       1
327      @print{}2       4
328      @print{}3       9
329 @result{} nil
330 @end group
331 @end example
333 @noindent
334 The arguments @code{from}, @code{to}, and @code{do} in this macro are
335 ``syntactic sugar''; they are entirely ignored.  The idea is that you
336 will write noise words (such as @code{from}, @code{to}, and @code{do})
337 in those positions in the macro call.
339 Here's an equivalent definition simplified through use of backquote:
341 @example
342 @group
343 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
344   "Execute a simple \"for\" loop.
345 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
346   `(let ((,var ,init))
347      (while (<= ,var ,final)
348        ,@@body
349        (inc ,var))))
350 @end group
351 @end example
353 Both forms of this definition (with backquote and without) suffer from
354 the defect that @var{final} is evaluated on every iteration.  If
355 @var{final} is a constant, this is not a problem.  If it is a more
356 complex form, say @code{(long-complex-calculation x)}, this can slow
357 down the execution significantly.  If @var{final} has side effects,
358 executing it more than once is probably incorrect.
360 @cindex macro argument evaluation
361 A well-designed macro definition takes steps to avoid this problem by
362 producing an expansion that evaluates the argument expressions exactly
363 once unless repeated evaluation is part of the intended purpose of the
364 macro.  Here is a correct expansion for the @code{for} macro:
366 @example
367 @group
368 (let ((i 1)
369       (max 3))
370   (while (<= i max)
371     (setq square (* i i))
372     (princ (format "%d      %d" i square))
373     (inc i)))
374 @end group
375 @end example
377 Here is a macro definition that creates this expansion:
379 @example
380 @group
381 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
382   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
383   `(let ((,var ,init)
384          (max ,final))
385      (while (<= ,var max)
386        ,@@body
387        (inc ,var))))
388 @end group
389 @end example
391   Unfortunately, this fix introduces another problem,
392 described in the following section.
394 @node Surprising Local Vars
395 @subsection Local Variables in Macro Expansions
397 @ifnottex
398   In the previous section, the definition of @code{for} was fixed as
399 follows to make the expansion evaluate the macro arguments the proper
400 number of times:
402 @example
403 @group
404 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
405   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
406 @end group
407 @group
408   `(let ((,var ,init)
409          (max ,final))
410      (while (<= ,var max)
411        ,@@body
412        (inc ,var))))
413 @end group
414 @end example
415 @end ifnottex
417   The new definition of @code{for} has a new problem: it introduces a
418 local variable named @code{max} which the user does not expect.  This
419 causes trouble in examples such as the following:
421 @example
422 @group
423 (let ((max 0))
424   (for x from 0 to 10 do
425     (let ((this (frob x)))
426       (if (< max this)
427           (setq max this)))))
428 @end group
429 @end example
431 @noindent
432 The references to @code{max} inside the body of the @code{for}, which
433 are supposed to refer to the user's binding of @code{max}, really access
434 the binding made by @code{for}.
436 The way to correct this is to use an uninterned symbol instead of
437 @code{max} (@pxref{Creating Symbols}).  The uninterned symbol can be
438 bound and referred to just like any other symbol, but since it is
439 created by @code{for}, we know that it cannot already appear in the
440 user's program.  Since it is not interned, there is no way the user can
441 put it into the program later.  It will never appear anywhere except
442 where put by @code{for}.  Here is a definition of @code{for} that works
443 this way:
445 @example
446 @group
447 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
448   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
449   (let ((tempvar (make-symbol "max")))
450     `(let ((,var ,init)
451            (,tempvar ,final))
452        (while (<= ,var ,tempvar)
453          ,@@body
454          (inc ,var)))))
455 @end group
456 @end example
458 @noindent
459 This creates an uninterned symbol named @code{max} and puts it in the
460 expansion instead of the usual interned symbol @code{max} that appears
461 in expressions ordinarily.
463 @node Eval During Expansion
464 @subsection Evaluating Macro Arguments in Expansion
466   Another problem can happen if the macro definition itself
467 evaluates any of the macro argument expressions, such as by calling
468 @code{eval} (@pxref{Eval}).  If the argument is supposed to refer to the
469 user's variables, you may have trouble if the user happens to use a
470 variable with the same name as one of the macro arguments.  Inside the
471 macro body, the macro argument binding is the most local binding of this
472 variable, so any references inside the form being evaluated do refer to
473 it.  Here is an example:
475 @example
476 @group
477 (defmacro foo (a)
478   (list 'setq (eval a) t))
479 @end group
480 @group
481 (setq x 'b)
482 (foo x) @expansion{} (setq b t)
483      @result{} t                  ; @r{and @code{b} has been set.}
484 ;; @r{but}
485 (setq a 'c)
486 (foo a) @expansion{} (setq a t)
487      @result{} t                  ; @r{but this set @code{a}, not @code{c}.}
489 @end group
490 @end example
492   It makes a difference whether the user's variable is named @code{a} or
493 @code{x}, because @code{a} conflicts with the macro argument variable
494 @code{a}.
496   Another problem with calling @code{eval} in a macro definition is that
497 it probably won't do what you intend in a compiled program.  The
498 byte compiler runs macro definitions while compiling the program, when
499 the program's own computations (which you might have wished to access
500 with @code{eval}) don't occur and its local variable bindings don't
501 exist.
503   To avoid these problems, @strong{don't evaluate an argument expression
504 while computing the macro expansion}.  Instead, substitute the
505 expression into the macro expansion, so that its value will be computed
506 as part of executing the expansion.  This is how the other examples in
507 this chapter work.
509 @node Repeated Expansion
510 @subsection How Many Times is the Macro Expanded?
512   Occasionally problems result from the fact that a macro call is
513 expanded each time it is evaluated in an interpreted function, but is
514 expanded only once (during compilation) for a compiled function.  If the
515 macro definition has side effects, they will work differently depending
516 on how many times the macro is expanded.
518   Therefore, you should avoid side effects in computation of the
519 macro expansion, unless you really know what you are doing.
521   One special kind of side effect can't be avoided: constructing Lisp
522 objects.  Almost all macro expansions include constructed lists; that is
523 the whole point of most macros.  This is usually safe; there is just one
524 case where you must be careful: when the object you construct is part of a
525 quoted constant in the macro expansion.
527   If the macro is expanded just once, in compilation, then the object is
528 constructed just once, during compilation.  But in interpreted
529 execution, the macro is expanded each time the macro call runs, and this
530 means a new object is constructed each time.
532   In most clean Lisp code, this difference won't matter.  It can matter
533 only if you perform side-effects on the objects constructed by the macro
534 definition.  Thus, to avoid trouble, @strong{avoid side effects on
535 objects constructed by macro definitions}.  Here is an example of how
536 such side effects can get you into trouble:
538 @lisp
539 @group
540 (defmacro empty-object ()
541   (list 'quote (cons nil nil)))
542 @end group
544 @group
545 (defun initialize (condition)
546   (let ((object (empty-object)))
547     (if condition
548         (setcar object condition))
549     object))
550 @end group
551 @end lisp
553 @noindent
554 If @code{initialize} is interpreted, a new list @code{(nil)} is
555 constructed each time @code{initialize} is called.  Thus, no side effect
556 survives between calls.  If @code{initialize} is compiled, then the
557 macro @code{empty-object} is expanded during compilation, producing a
558 single ``constant'' @code{(nil)} that is reused and altered each time
559 @code{initialize} is called.
561 One way to avoid pathological cases like this is to think of
562 @code{empty-object} as a funny kind of constant, not as a memory
563 allocation construct.  You wouldn't use @code{setcar} on a constant such
564 as @code{'(nil)}, so naturally you won't use it on @code{(empty-object)}
565 either.
567 @node Indenting Macros
568 @section Indenting Macros
570   Within a macro definition, you can use the @code{declare} form
571 (@pxref{Defining Macros}) to specify how @key{TAB} should indent
572 calls to the macro.  An indentation specification is written like this:
574 @example
575 (declare (indent @var{indent-spec}))
576 @end example
578 @noindent
579 Here are the possibilities for @var{indent-spec}:
581 @table @asis
582 @item @code{nil}
583 This is the same as no property---use the standard indentation pattern.
584 @item @code{defun}
585 Handle this function like a @samp{def} construct: treat the second
586 line as the start of a @dfn{body}.
587 @item an integer, @var{number}
588 The first @var{number} arguments of the function are
589 @dfn{distinguished} arguments; the rest are considered the body
590 of the expression.  A line in the expression is indented according to
591 whether the first argument on it is distinguished or not.  If the
592 argument is part of the body, the line is indented @code{lisp-body-indent}
593 more columns than the open-parenthesis starting the containing
594 expression.  If the argument is distinguished and is either the first
595 or second argument, it is indented @emph{twice} that many extra columns.
596 If the argument is distinguished and not the first or second argument,
597 the line uses the standard pattern.
598 @item a symbol, @var{symbol}
599 @var{symbol} should be a function name; that function is called to
600 calculate the indentation of a line within this expression.  The
601 function receives two arguments:
603 @table @asis
604 @item @var{state}
605 The value returned by @code{parse-partial-sexp} (a Lisp primitive for
606 indentation and nesting computation) when it parses up to the
607 beginning of this line.
608 @item @var{pos}
609 The position at which the line being indented begins.
610 @end table
612 @noindent
613 It should return either a number, which is the number of columns of
614 indentation for that line, or a list whose car is such a number.  The
615 difference between returning a number and returning a list is that a
616 number says that all following lines at the same nesting level should
617 be indented just like this one; a list says that following lines might
618 call for different indentations.  This makes a difference when the
619 indentation is being computed by @kbd{C-M-q}; if the value is a
620 number, @kbd{C-M-q} need not recalculate indentation for the following
621 lines until the end of the list.
622 @end table