数据和代码

如果说Lisp语言有一个特性最能使人津津乐道的话，我想应该是它的宏系统（macro system）了吧，
在Lisp语言中，程序和代码的表现形式（textual representation）几乎一致，造就了它无与伦比的元编程能力。
这种对称性，使得Lisp语言可以像处理数据一样优雅的处理代码本身。

并且和其他语言不同的是，Lisp的宏系统，并不是简单的文本操作，
而是建立在语法对象（syntax object）基础之上。

前文提到过，我们直接写(foo bar bar)表示函数调用或者宏调用（macro call），
加引用'(foo bar bar)表示列表字面量，
直接写x表示变量或者函数，加引用'x表示符号（symbol）。

如果我们把列表字面量和符号看做数据，把变量和函数调用看做程序，
那么数据和程序的表现形式（textual representation）几乎是相同的，只差一个引用。
所以，如果一个函数能够处理数据（列表/变量），那么它也一定能够处理被引用的程序，
同理，如果一个函数能够返回一段数据（列表/变量），那么去掉引用之后（使用eval），
也可以看做它是返回了一段程序。

例如，

(defun inc (var)
    (list 'setq var (list '1+ var)))

(inc 'x)    ; (setq x (1+ x))

我们定义了一个inc函数，它接受var作为参数，返回了一个列表。
即，(inc 'x)的求值结果为(setq x (1+ x))，
其中，(setq x (1+ x))是一个列表。

我们可以通过eval直接把返回的列表当做程序来执行，

(defvar x 0)
(eval (inc 'x))

x    ; 1

x的值被修改了，变成了1。

定义一个宏

我们只需要将上文的inc稍作修改，就可以把它转换成一个宏（macro），
我们只需要将defun改成defmacro即可，

(defmacro inc (var)
    (list 'setq var (list '1+ var)))

现在inc就是一个宏（macro）了，它的使用方式和函数非常相似，

(defvar x 0)
(inc x)

x    ; 1

我们看到，这里直接使用了(inc x)，而不是(inc 'x)，
并且，(inc x)的作用和直接写程序(setq x (1+ x))是一样的。

(inc x)我们称之为宏调用（macro call），
而(setq x (1+ x))我们称之为宏展开（macro expansion）后的程序。

编译器或者解释器会采用不同的策略进行宏展开，
一般而言，编译器会在求值程序之前，将代码中所有的宏（macro）进行展开，
即，将所有的宏调用(inc x)，替换成它返回的那段程序(setq x (1+ x))，
直到代码中不再包含宏（macro）为止，然后再进行编译。

一个简单的解释器实现，可能会一边执行程序一边进行宏展开操作，
它会在运行时，通过判断符号（symbol）的类型，来决定进行函数调用还是宏调用。
这样可能会有助于理解宏的递归展开问题。

一个宏展开式中，可能还会包含其它的宏，也可能还会包含另一个宏的定义。
（以后的文章中，我们会介绍）

因此，在宏定义中，进行的具有副作用（side effect）的操作，
其执行时机并不是在运行时，而是在宏展开阶段，
而如果宏实参中包含了带有副作用的操作，那么它可能被展开到源代码中的多个位置，
从而被执行多次。

语法对象

在Emacs Lisp中，宏变量inc实际上是一个转换函数，
它将var转换成了(list 'setq var (list '1+ var))，即把符号（symbol）转换成了一个列表对象。

宏变量的值与函数一样会保存在符号（symbol）inc的function cell中，
因此，一个符号（symbol）不可能既表示一个函数又表示一个宏（macro）。

当Lisp解释器遇到一个符号（symbol）的时候，
会判断它到底是一个变量，一个函数还是一个宏（macro）。

(defun add1 (x)
    (+ x 1))

(defvar a 1)
(add1 a)

如果是一个函数，且当前进行的是函数调用(add1 a)，
那么就会先求值它的实参，a求值为1，
再将add1的形参x绑定为实参的值1，再求值函数体，
即，求值(+ x 1)，结果为2。

(defmacro inc (var)
    (list 'setq var (list '1+ var)))

(defvar x 0)
(inc x)
x    ; 1

如果是一个宏（macro），且当前进行的是宏调用(inc x)，
那么它并不会像函数那样先求值函数体，而是直接将宏形参绑定为宏调用的实参值。
即，var绑定为符号（symbol）x。

值得注意的是，宏调用的实参，是一个符号（symbol），它是一个Lisp对象，而不是一个字符串，
宏（macro）所返回的结果，也是一个Lisp对象。

更明确的说，宏（macro）是一个针对语法对象（syntax object）的变换函数，
它对读取器获得的语法对象（syntax object）进行变换。
在某些Lisp方言，例如Scheme，这些语法对象（syntax object）包含了上下文信息，使用它们可以编写出强大而灵活的宏（macro）。

这里容易引起混乱的是，在Emacs Lisp中，直接使用了符号和列表表示了语法对象，
而实际上语法对象是一个数据结构，在其内部包含了符号和列表的信息。
这样做的好处是，在宏展开阶段宏（macro）接受和返回的都是语法对象，
而在运行时阶段，处理的都是运行时对象了。
（例如：syntax->datum和datum->syntax）

通过以下程序我们可以验证，var确实是一个符号（symbol）。

(defmacro inc (var)
    (message "%s" (symbolp var))    ; t
    (list 'setq var (list '1+ var)))

我们之前十分小心的区分了标识符，符号（symbol）和变量，
是为了在类似这样的场景中保持清醒。

标识符经过Lisp读取器，在Lisp内部会变成一个符号（symbol），它是一个语法对象，
然后Lisp会对所有的宏（macro）进行展开，将这些语法对象绑定到宏形参上，对语法对象进行变换。
最后，求值器在运行时会求值这些符号（symbol），得到一个变量值或者函数值。

因此，编写宏（macro）可以看作是对编译器或者解释器进行编程，
Lisp允许用户在表达式被求值之前对它进行一些变换。

总结

本文初步介绍了Lisp的宏系统，展示了宏调用与函数调用之间的异同，
我们发现Lisp的宏系统是建立在语法对象（syntax object）基础之上的，而不是简单的进行文本替换。
此外，由于Emacs Lisp的宏（macro）不是卫生的（hygienic），所以会和Common Lisp一样出现变量捕获问题。
下文我们开始介绍一些Lisp宏的常见陷阱和用法。

参考

GNU Emacs Lisp Reference Manual
Chez Scheme Version 8 User's Guide
An Introduction to Scheme and its Implementation