* doc/lispref/positions.texi (Text Lines): Document count-words.
[emacs.git] / doc / lispref / macros.texi
bloba71d3379b8030e61ba9d194ad2115a7dd1efe5a8
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 @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 * 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   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
139 @defun macroexpand-all form &optional environment
140 @code{macroexpand-all} expands macros like @code{macroexpand}, but
141 will look for and expand all macros in @var{form}, not just at the
142 top-level.  If no macros are expanded, the return value is @code{eq}
143 to @var{form}.
145 Repeating the example used for @code{macroexpand} above with
146 @code{macroexpand-all}, we see that @code{macroexpand-all} @emph{does}
147 expand the embedded calls to @code{inc}:
149 @smallexample
150 (macroexpand-all '(inc2 r s))
151      @result{} (progn (setq r (1+ r)) (setq s (1+ s)))
152 @end smallexample
154 @end defun
156 @node Compiling Macros
157 @section Macros and Byte Compilation
158 @cindex byte-compiling macros
160   You might ask why we take the trouble to compute an expansion for a
161 macro and then evaluate the expansion.  Why not have the macro body
162 produce the desired results directly?  The reason has to do with
163 compilation.
165   When a macro call appears in a Lisp program being compiled, the Lisp
166 compiler calls the macro definition just as the interpreter would, and
167 receives an expansion.  But instead of evaluating this expansion, it
168 compiles the expansion as if it had appeared directly in the program.
169 As a result, the compiled code produces the value and side effects
170 intended for the macro, but executes at full compiled speed.  This would
171 not work if the macro body computed the value and side effects
172 itself---they would be computed at compile time, which is not useful.
174   In order for compilation of macro calls to work, the macros must
175 already be defined in Lisp when the calls to them are compiled.  The
176 compiler has a special feature to help you do this: if a file being
177 compiled contains a @code{defmacro} form, the macro is defined
178 temporarily for the rest of the compilation of that file.
180   Byte-compiling a file also executes any @code{require} calls at
181 top-level in the file, so you can ensure that necessary macro
182 definitions are available during compilation by requiring the files
183 that define them (@pxref{Named Features}).  To avoid loading the macro
184 definition files when someone @emph{runs} the compiled program, write
185 @code{eval-when-compile} around the @code{require} calls (@pxref{Eval
186 During Compile}).
188 @node Defining Macros
189 @section Defining Macros
191   A Lisp macro is a list whose @sc{car} is @code{macro}.  Its @sc{cdr} should
192 be a function; expansion of the macro works by applying the function
193 (with @code{apply}) to the list of unevaluated argument-expressions
194 from the macro call.
196   It is possible to use an anonymous Lisp macro just like an anonymous
197 function, but this is never done, because it does not make sense to pass
198 an anonymous macro to functionals such as @code{mapcar}.  In practice,
199 all Lisp macros have names, and they are usually defined with the
200 special form @code{defmacro}.
202 @defspec defmacro name argument-list body-forms@dots{}
203 @code{defmacro} defines the symbol @var{name} as a macro that looks
204 like this:
206 @example
207 (macro lambda @var{argument-list} . @var{body-forms})
208 @end example
210 (Note that the @sc{cdr} of this list is a function---a lambda expression.)
211 This macro object is stored in the function cell of @var{name}.  The
212 value returned by evaluating the @code{defmacro} form is @var{name}, but
213 usually we ignore this value.
215 The shape and meaning of @var{argument-list} is the same as in a
216 function, and the keywords @code{&rest} and @code{&optional} may be used
217 (@pxref{Argument List}).  Macros may have a documentation string, but
218 any @code{interactive} declaration is ignored since macros cannot be
219 called interactively.
220 @end defspec
222   Macros often need to construct large list structures from a mixture
223 of constants and nonconstant parts.  To make this easier, use the
224 @samp{`} syntax (@pxref{Backquote}).  For example:
226 @example
227 @example
228 @group
229 (defmacro t-becomes-nil (variable)
230   `(if (eq ,variable t)
231        (setq ,variable nil)))
232 @end group
234 @group
235 (t-becomes-nil foo)
236      @equiv{} (if (eq foo t) (setq foo nil))
237 @end group
238 @end example
239 @end example
241   The body of a macro definition can include a @code{declare} form,
242 which can specify how @key{TAB} should indent macro calls, and how to
243 step through them for Edebug.
245 @defmac declare @var{specs}@dots{}
246 @anchor{Definition of declare}
247 A @code{declare} form is used in a macro definition to specify various
248 additional information about it.  The following specifications are
249 currently supported:
251 @table @code
252 @item (debug @var{edebug-form-spec})
253 Specify how to step through macro calls for Edebug.
254 @xref{Instrumenting Macro Calls}.
256 @item (indent @var{indent-spec})
257 Specify how to indent calls to this macro.  @xref{Indenting Macros},
258 for more details.
260 @item (doc-string @var{number})
261 Specify which element of the macro is the documentation string, if
262 any.
263 @end table
265 A @code{declare} form only has its special effect in the body of a
266 @code{defmacro} form if it immediately follows the documentation
267 string, if present, or the argument list otherwise.  (Strictly
268 speaking, @emph{several} @code{declare} forms can follow the
269 documentation string or argument list, but since a @code{declare} form
270 can have several @var{specs}, they can always be combined into a
271 single form.)  When used at other places in a @code{defmacro} form, or
272 outside a @code{defmacro} form, @code{declare} just returns @code{nil}
273 without evaluating any @var{specs}.
274 @end defmac
276   No macro absolutely needs a @code{declare} form, because that form
277 has no effect on how the macro expands, on what the macro means in the
278 program.  It only affects the secondary features listed above.
280 @node Problems with Macros
281 @section Common Problems Using Macros
283   Macro expansion can have counterintuitive consequences.  This
284 section describes some important consequences that can lead to
285 trouble, and rules to follow to avoid trouble.
287 @menu
288 * Wrong Time::             Do the work in the expansion, not in the macro.
289 * Argument Evaluation::    The expansion should evaluate each macro arg once.
290 * Surprising Local Vars::  Local variable bindings in the expansion
291                               require special care.
292 * Eval During Expansion::  Don't evaluate them; put them in the expansion.
293 * Repeated Expansion::     Avoid depending on how many times expansion is done.
294 @end menu
296 @node Wrong Time
297 @subsection Wrong Time
299   The most common problem in writing macros is doing some of the
300 real work prematurely---while expanding the macro, rather than in the
301 expansion itself.  For instance, one real package had this macro
302 definition:
304 @example
305 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
306   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
307       (set-buffer-multibyte arg)))
308 @end example
310 With this erroneous macro definition, the program worked fine when
311 interpreted but failed when compiled.  This macro definition called
312 @code{set-buffer-multibyte} during compilation, which was wrong, and
313 then did nothing when the compiled package was run.  The definition
314 that the programmer really wanted was this:
316 @example
317 (defmacro my-set-buffer-multibyte (arg)
318   (if (fboundp 'set-buffer-multibyte)
319       `(set-buffer-multibyte ,arg)))
320 @end example
322 @noindent
323 This macro expands, if appropriate, into a call to
324 @code{set-buffer-multibyte} that will be executed when the compiled
325 program is actually run.
327 @node Argument Evaluation
328 @subsection Evaluating Macro Arguments Repeatedly
330   When defining a macro you must pay attention to the number of times
331 the arguments will be evaluated when the expansion is executed.  The
332 following macro (used to facilitate iteration) illustrates the
333 problem.  This macro allows us to write a ``for'' loop construct.
335 @findex for
336 @smallexample
337 @group
338 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
339   "Execute a simple \"for\" loop.
340 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
341   (list 'let (list (list var init))
342         (cons 'while (cons (list '<= var final)
343                            (append body (list (list 'inc var)))))))
344 @end group
345 @result{} for
347 @group
348 (for i from 1 to 3 do
349    (setq square (* i i))
350    (princ (format "\n%d %d" i square)))
351 @expansion{}
352 @end group
353 @group
354 (let ((i 1))
355   (while (<= i 3)
356     (setq square (* i i))
357     (princ (format "\n%d %d" i square))
358     (inc i)))
359 @end group
360 @group
362      @print{}1       1
363      @print{}2       4
364      @print{}3       9
365 @result{} nil
366 @end group
367 @end smallexample
369 @noindent
370 The arguments @code{from}, @code{to}, and @code{do} in this macro are
371 ``syntactic sugar''; they are entirely ignored.  The idea is that you
372 will write noise words (such as @code{from}, @code{to}, and @code{do})
373 in those positions in the macro call.
375 Here's an equivalent definition simplified through use of backquote:
377 @smallexample
378 @group
379 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
380   "Execute a simple \"for\" loop.
381 For example, (for i from 1 to 10 do (print i))."
382   `(let ((,var ,init))
383      (while (<= ,var ,final)
384        ,@@body
385        (inc ,var))))
386 @end group
387 @end smallexample
389 Both forms of this definition (with backquote and without) suffer from
390 the defect that @var{final} is evaluated on every iteration.  If
391 @var{final} is a constant, this is not a problem.  If it is a more
392 complex form, say @code{(long-complex-calculation x)}, this can slow
393 down the execution significantly.  If @var{final} has side effects,
394 executing it more than once is probably incorrect.
396 @cindex macro argument evaluation
397 A well-designed macro definition takes steps to avoid this problem by
398 producing an expansion that evaluates the argument expressions exactly
399 once unless repeated evaluation is part of the intended purpose of the
400 macro.  Here is a correct expansion for the @code{for} macro:
402 @smallexample
403 @group
404 (let ((i 1)
405       (max 3))
406   (while (<= i max)
407     (setq square (* i i))
408     (princ (format "%d      %d" i square))
409     (inc i)))
410 @end group
411 @end smallexample
413 Here is a macro definition that creates this expansion:
415 @smallexample
416 @group
417 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
418   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
419   `(let ((,var ,init)
420          (max ,final))
421      (while (<= ,var max)
422        ,@@body
423        (inc ,var))))
424 @end group
425 @end smallexample
427   Unfortunately, this fix introduces another problem,
428 described in the following section.
430 @node Surprising Local Vars
431 @subsection Local Variables in Macro Expansions
433 @ifnottex
434   In the previous section, the definition of @code{for} was fixed as
435 follows to make the expansion evaluate the macro arguments the proper
436 number of times:
438 @smallexample
439 @group
440 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
441   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
442 @end group
443 @group
444   `(let ((,var ,init)
445          (max ,final))
446      (while (<= ,var max)
447        ,@@body
448        (inc ,var))))
449 @end group
450 @end smallexample
451 @end ifnottex
453   The new definition of @code{for} has a new problem: it introduces a
454 local variable named @code{max} which the user does not expect.  This
455 causes trouble in examples such as the following:
457 @smallexample
458 @group
459 (let ((max 0))
460   (for x from 0 to 10 do
461     (let ((this (frob x)))
462       (if (< max this)
463           (setq max this)))))
464 @end group
465 @end smallexample
467 @noindent
468 The references to @code{max} inside the body of the @code{for}, which
469 are supposed to refer to the user's binding of @code{max}, really access
470 the binding made by @code{for}.
472 The way to correct this is to use an uninterned symbol instead of
473 @code{max} (@pxref{Creating Symbols}).  The uninterned symbol can be
474 bound and referred to just like any other symbol, but since it is
475 created by @code{for}, we know that it cannot already appear in the
476 user's program.  Since it is not interned, there is no way the user can
477 put it into the program later.  It will never appear anywhere except
478 where put by @code{for}.  Here is a definition of @code{for} that works
479 this way:
481 @smallexample
482 @group
483 (defmacro for (var from init to final do &rest body)
484   "Execute a simple for loop: (for i from 1 to 10 do (print i))."
485   (let ((tempvar (make-symbol "max")))
486     `(let ((,var ,init)
487            (,tempvar ,final))
488        (while (<= ,var ,tempvar)
489          ,@@body
490          (inc ,var)))))
491 @end group
492 @end smallexample
494 @noindent
495 This creates an uninterned symbol named @code{max} and puts it in the
496 expansion instead of the usual interned symbol @code{max} that appears
497 in expressions ordinarily.
499 @node Eval During Expansion
500 @subsection Evaluating Macro Arguments in Expansion
502   Another problem can happen if the macro definition itself
503 evaluates any of the macro argument expressions, such as by calling
504 @code{eval} (@pxref{Eval}).  If the argument is supposed to refer to the
505 user's variables, you may have trouble if the user happens to use a
506 variable with the same name as one of the macro arguments.  Inside the
507 macro body, the macro argument binding is the most local binding of this
508 variable, so any references inside the form being evaluated do refer to
509 it.  Here is an example:
511 @example
512 @group
513 (defmacro foo (a)
514   (list 'setq (eval a) t))
515      @result{} foo
516 @end group
517 @group
518 (setq x 'b)
519 (foo x) @expansion{} (setq b t)
520      @result{} t                  ; @r{and @code{b} has been set.}
521 ;; @r{but}
522 (setq a 'c)
523 (foo a) @expansion{} (setq a t)
524      @result{} t                  ; @r{but this set @code{a}, not @code{c}.}
526 @end group
527 @end example
529   It makes a difference whether the user's variable is named @code{a} or
530 @code{x}, because @code{a} conflicts with the macro argument variable
531 @code{a}.
533   Another problem with calling @code{eval} in a macro definition is that
534 it probably won't do what you intend in a compiled program.  The
535 byte compiler runs macro definitions while compiling the program, when
536 the program's own computations (which you might have wished to access
537 with @code{eval}) don't occur and its local variable bindings don't
538 exist.
540   To avoid these problems, @strong{don't evaluate an argument expression
541 while computing the macro expansion}.  Instead, substitute the
542 expression into the macro expansion, so that its value will be computed
543 as part of executing the expansion.  This is how the other examples in
544 this chapter work.
546 @node Repeated Expansion
547 @subsection How Many Times is the Macro Expanded?
549   Occasionally problems result from the fact that a macro call is
550 expanded each time it is evaluated in an interpreted function, but is
551 expanded only once (during compilation) for a compiled function.  If the
552 macro definition has side effects, they will work differently depending
553 on how many times the macro is expanded.
555   Therefore, you should avoid side effects in computation of the
556 macro expansion, unless you really know what you are doing.
558   One special kind of side effect can't be avoided: constructing Lisp
559 objects.  Almost all macro expansions include constructed lists; that is
560 the whole point of most macros.  This is usually safe; there is just one
561 case where you must be careful: when the object you construct is part of a
562 quoted constant in the macro expansion.
564   If the macro is expanded just once, in compilation, then the object is
565 constructed just once, during compilation.  But in interpreted
566 execution, the macro is expanded each time the macro call runs, and this
567 means a new object is constructed each time.
569   In most clean Lisp code, this difference won't matter.  It can matter
570 only if you perform side-effects on the objects constructed by the macro
571 definition.  Thus, to avoid trouble, @strong{avoid side effects on
572 objects constructed by macro definitions}.  Here is an example of how
573 such side effects can get you into trouble:
575 @lisp
576 @group
577 (defmacro empty-object ()
578   (list 'quote (cons nil nil)))
579 @end group
581 @group
582 (defun initialize (condition)
583   (let ((object (empty-object)))
584     (if condition
585         (setcar object condition))
586     object))
587 @end group
588 @end lisp
590 @noindent
591 If @code{initialize} is interpreted, a new list @code{(nil)} is
592 constructed each time @code{initialize} is called.  Thus, no side effect
593 survives between calls.  If @code{initialize} is compiled, then the
594 macro @code{empty-object} is expanded during compilation, producing a
595 single ``constant'' @code{(nil)} that is reused and altered each time
596 @code{initialize} is called.
598 One way to avoid pathological cases like this is to think of
599 @code{empty-object} as a funny kind of constant, not as a memory
600 allocation construct.  You wouldn't use @code{setcar} on a constant such
601 as @code{'(nil)}, so naturally you won't use it on @code{(empty-object)}
602 either.
604 @node Indenting Macros
605 @section Indenting Macros
607   Within a macro definition, you can use the @code{declare} form
608 (@pxref{Defining Macros}) to specify how to @key{TAB} should indent
609 calls to the macro.  An indentation specification is written like this:
611 @example
612 (declare (indent @var{indent-spec}))
613 @end example
615 @noindent
616 Here are the possibilities for @var{indent-spec}:
618 @table @asis
619 @item @code{nil}
620 This is the same as no property---use the standard indentation pattern.
621 @item @code{defun}
622 Handle this function like a @samp{def} construct: treat the second
623 line as the start of a @dfn{body}.
624 @item an integer, @var{number}
625 The first @var{number} arguments of the function are
626 @dfn{distinguished} arguments; the rest are considered the body
627 of the expression.  A line in the expression is indented according to
628 whether the first argument on it is distinguished or not.  If the
629 argument is part of the body, the line is indented @code{lisp-body-indent}
630 more columns than the open-parenthesis starting the containing
631 expression.  If the argument is distinguished and is either the first
632 or second argument, it is indented @emph{twice} that many extra columns.
633 If the argument is distinguished and not the first or second argument,
634 the line uses the standard pattern.
635 @item a symbol, @var{symbol}
636 @var{symbol} should be a function name; that function is called to
637 calculate the indentation of a line within this expression.  The
638 function receives two arguments:
640 @table @asis
641 @item @var{state}
642 The value returned by @code{parse-partial-sexp} (a Lisp primitive for
643 indentation and nesting computation) when it parses up to the
644 beginning of this line.
645 @item @var{pos}
646 The position at which the line being indented begins.
647 @end table
649 @noindent
650 It should return either a number, which is the number of columns of
651 indentation for that line, or a list whose car is such a number.  The
652 difference between returning a number and returning a list is that a
653 number says that all following lines at the same nesting level should
654 be indented just like this one; a list says that following lines might
655 call for different indentations.  This makes a difference when the
656 indentation is being computed by @kbd{C-M-q}; if the value is a
657 number, @kbd{C-M-q} need not recalculate indentation for the following
658 lines until the end of the list.
659 @end table