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# TeX 宏究竟是如何工作的：第5部分

[第1部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/19-how-tex-macros-actually-work-part-1.md) [第2部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/20-how-tex-macros-actually-work-part-2.md) [第3部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/21-how-tex-macros-actually-work-part-3.md) [第4部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/22-how-tex-macros-actually-work-part-4.md) [第5部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/23-how-tex-macros-actually-work-part-5.md) [第6部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/24-how-tex-macros-actually-work-part-6.md)

## 引言与概述

在第 4 部分，我们回顾了一些 TeX 宏的基本特性，为接下来的两篇文章做准备；在这两篇文章中，我们将深入查看 TeX 宏的底层机制：专门的记号列表。在这最后两篇文章中，我们使用称为节点列表的图示，这些图示来自使用经特殊修改的 Knuth 原版 TeX 软件所生成的数据——这些修改旨在访问通常用户无法接触的 TeX 内部数据结构。通过“接入” TeX 的内部宏处理和执行例程，我们得以写出图形数据，从而能够更详细、更准确地讨论 TeX 的宏处理行为。Overleaf 希望这些图示能帮助读者更好地理解 TeX 宏真正的工作方式。

### 可能的补充背景阅读

Overleaf 已经发布了两篇与记号相关的文章，它们提供了关于 TeX 记号和 TeX 记号列表的补充背景信息。如果你需要填补理解上的任何空白，并帮助自己从本系列的第 5 和第 6 部分中获得最大收获，请务必花时间看看它们。

* [什么是“TeX 记号”？](/latex/zh-cn/shen-ru-wen-zhang/53-what-is-a-tex-token.md)
* [什么是 TeX 记号列表？](/latex/zh-cn/shen-ru-wen-zhang/54-what-is-a-tex-token-list.md)

## 作为记号列表的宏

当 TeX 检测到一个创建宏的命令（`\def`, `\edef`, `\gdef` 或 `\xdef`）在输入流中时，它会触发一个过程，将以下两个部分都转换为 `<参数文本><替换文本>` 将我们宏定义中的内容转换成一个很长的记号列表——但这是一种非常特殊的记号列表。

宏的记号列表与 TeX 中使用的其他记号列表略有不同，因为它们包含“特殊”记号值，这些值只有 TeX 内部的处理过程才能创建/生成：这些特殊记号无法通过你可以在 .tex 文件中包含的任何命令直接创建。TeX 创建并使用这些“特殊”记号值来帮助处理你的宏调用，下面我们将探讨并解释这一点。

### 简要说明记号列表如何存储：节点

为了存储一个记号（整数值）列表，TeX 使用一种称为……的数据结构 [链表](https://en.wikipedia.org/wiki/Linked_list)，在 TeX 中，它由一系列所谓的 *节点*。你可以把节点看作一个可用于存储一组数据项的小块计算机内存。为了存储一个宏，这些节点像链条一样串联起来，其中每个节点（链中的一环）可以存储若干信息——包括一个记号值以及列表中下一个节点的内存地址。更多信息可阅读文章 [什么是 TeX 记号列表](/latex/zh-cn/shen-ru-wen-zhang/54-what-is-a-tex-token-list.md) ，但下图总结了作为记号列表存储的宏的关键特征：

![作为链式节点列表存储的 TeX 宏记号列表示意图](/files/98697fc4664046a2e3e86e3bd77c314df993a36e)

### 提醒：宏定义的 4 个部分

如第 4 部分所述，任何宏的结构都可写为：

```
<TeX 宏原语><宏名><参数文本>{<替换文本>}
```

其中：

* `<TeX 宏原语>` = 其中之一 `\def`, `\edef`, `\gdef` 或 `\xdef`;
* `<宏名>`= 你的宏的名称，例如 `\\foo`;
* `<参数文本>` 可以为“空”（不存在），也可以是一串分隔符记号和宏参数记号；
* `<替换文本>` 是宏的实际主体：即在调用宏时“执行”的部分。

**注意**：（如第 4 部分也指出的）在整个讨论中，我们假设 `<宏名>` 后面会跟一个类别码为 10 的空格字符，作为终止……的分隔符 `<宏名>`。 *没有* 在文本/讨论中明确显示该空格字符，但我们假定它存在。严格来说，我们应当像这样表示它：

```
<TeX 宏原语><宏名><空格><参数文本>{<替换文本>}
```

不过，我们会省略显式包含一个 `<空格>` 字符，并默认假设它存在。

**注意**：这些字符 `{` 和 `}` *不会* 成为宏记号列表的一部分：它们的作用只是告诉 TeX 的输入扫描器（它负责创建记号）在何处 `<替换文本>` 开始和停止。

当 TeX 定义一个宏时，这些部分 `<参数文本><替换文本>` 会被转换成一个连续很长的记号列表——该列表中的记号总数取决于宏的复杂度。正如我们所见，该部分的特定用途是充当 TeX 用来选取构成参数（值）的记号的“记号模板”或“蓝图”；也就是说，用来喂入实际宏的记号： `<替换文本>`.

为了巩固这些概念，我们来举一个宏的例子，但保持它简短一些，以免后续图示过于杂乱：

```
\def\foo A#1\fake{123 #1}
```

对于我们的宏， `\\foo`

* `<参数文本>` = `A#1\fake`
* `<替换文本>` = `123 #1`

虽然这个例子是一个简单的宏，但它包含了我们需要探讨的所有特性。

如前所述，TeX 会将 `<参数文本><替换文本>` 转换成一个很长的记号列表，你可以在下图中看到。在我们的例子中，由 `A#1\fake{123 #1}` 形成的记号已被转换为存储在记号列表中的连续记号序列（作为节点链表）。

## 展示真实宏记号列表的图示

下图展示了宏如何 `\def\foo A#1\fake{123 #1}` 被存储，使用的是来自 TeX 引擎内部的真实数据。它是用 [经定制的 Knuth TeX 版本](/latex/zh-cn/shen-ru-wen-zhang/01-a-new-series-of-articles-tex-tokens-and-related-concepts-but-why-and-how.md#how-can-you-study-tex-tokens3f) 进行了修改，加入了额外代码以拦截宏调用、检查 TeX 的内部数据，并将其导出为供一个名为 [Graphviz](https://www.graphviz.org/).

你可以将下图下载为 [PDF 文件](https://assets.ctfassets.net/nrgyaltdicpt/N6gT757eXCxRV3FtdPPga/7ce120dc05ed05962bb911ff1124734b/annotatednodelist-plain.pdf) （675 KB）或 [SVG 文件](https://images.ctfassets.net/nrgyaltdicpt/4PkmtHDhO8KF892ZDWuLHP/2c9c8385c6948fd122b228c5c780a3a6/annotatednodelist-plain.svg) （1.8 MB）。

![带注释的 TeX 记号列表示意图](/files/f232b32daf81cb3d5bab28448aaf7728d4cc3f41)

#### 理解这些节点

在上图中你会看到，每个节点都包含两个称为 **下一个节点** 和 **当前节点**的数据项。这些只是表示 TeX 内存位置的整数值——其他节点存储在这些位置。 **下一个节点** 和 **当前节点** 这些值并不重要，它们只是存储这些位置（内存地址），使节点能够链接成一个列表。

![下一个节点和当前节点的含义](/files/314b78934c31d65069f971aa16e56d88e676b73e)

#### 回到示例

在节点图中，由 `A#1\fake{123 #1}` 形成的记号列表包含本文开头引入的几个“特殊记号”。此外，表示我们宏的节点列表以一个“特殊的首节点”开头：我们将探讨它们是什么以及它们的作用。

宏记号列表（以及某些其他类型的记号列表）中的第一个项目并不存储记号值，而是存储一个称为该宏的 *引用计数* ，TeX 用它来跟踪宏的使用情况。

![引用计数节点是记号列表中的第一个节点](/files/a7e27d95f562d101600bac48e408b1580e6e5873)

……的第一个记号 `<参数文本>` 存储在紧跟引用计数之后的节点中：你可以看到它是一个表示字母 `一个` ，其类别码为 11。根据第 2 和第 3 部分的讨论，我们知道字符记号是使用……计算出来的

$$\text{token value}=256\times \text{category code} + \text{character code}$$

其中，对于字母 `一个` 且类别码为 11 时，为

$$\text{token value}=256\times 11 + 65$$

其值为 2881，如节点中所示。

#### 在 \foo 中使用的“命令” \fake

在我们的宏定义中 `\def\foo A#1\fake{123 #1}` 其中一个分隔符是一个 *未定义的* 命令 `\fake` 它被存储在记号列表中，作为……的一部分 `<参数文本>` 部分。你可以看到，在整个宏记号列表中 `\fake` 有一个记号，其值为 `19491`——这是 TeX 使用第 3 部分讨论的公式计算出的整数值。当 TeX 尝试执行 `\\foo` 它会期望找到 `\fake` 记号值，位于……的末尾 `<参数文本>` 部分。TeX *不会* 尝试执行该 `\fake` 命令，因为它的作用仅仅是在……中提供一种“标点” `<参数文本>` “记号模板”。

![将命令记号用作宏分隔符](/files/6ce38134665697942a7b7874ee9751fb346e6b1b)

#### 记号列表中的特殊记号

**“匹配结束”记号**

在调用宏时，TeX 的第一项任务是扫描用户键入的宏，并比较用户的……中存在的记号 `<参数文本>` 部分与模板中包含的记号 `<参数文本>` 存储在内存中（在定义宏时创建）。由于宏的完整定义，由……构成 `<参数文本><替换文本>` 被存储为一个很长的连续记号列表，TeX 需要知道在该记号列表中哪里 `<参数文本>` *停止* 以及哪里 `<替换文本>` *开始*。为此，当 TeX 定义宏（构建记号列表）时，它会插入一个称为……的特殊终止记号 **匹配结束** 记号，作为由……生成的一组记号中的最后一个记号 `<参数文本>`。 **匹配结束** 记号不能由用户命令生成，只有 TeX 自身才能创建它，因此 TeX 可以确定检测到……的结束 `<参数文本>`.

![在 TeX 记号列表中显示“匹配结束”记号](/files/d50ec86132bc285de25726c3749f00c11bed7453)

在这里，我们可以看到紧随……之后的第一个记号 **匹配结束** 是一个表示数字……的记号 `1` ，其类别码为 12。这是意料之中的，因为 `<替换文本>` 对于我们的宏 `\\foo` 是 `123 #1`——也就是说，它以表示数字……的记号开头 `1` （类别码为 12）。

根据第 2 和第 3 部分的讨论，我们知道字符记号是使用……计算的

$$\text{token value}=256\times \text{category code} + \text{character code}$$

其中，对于数字 `1` 且类别码为 12 时，为

$$\text{token value}=256\times 12 + 49$$

其记号值为 3121，如节点中所示。

**“匹配参数”记号**

当 TeX 存储宏定义时，它会将任何参数记号（`#1`, `#2`… `#9`）中的……转换为 `<参数文本>` 一种称为 **匹配参数** 记号。这些记号告诉 TeX，它需要开始在用户的宏调用中寻找作为宏参数的记号。

![在 TeX 记号列表中显示“匹配参数”记号](/files/fd4885f2380ecf467e4054b34330441514003060)

### 记号列表中的特殊记号

#### “输出参数”记号

当 TeX 处理完所有内容并准备实际运行（展开）宏时， **输出参数** 记号会指示 TeX 在……中的位置 `<替换文本>` 在那里它需要填入表示用户在调用宏时提供的参数的记号。实际上就是：“在这个位置插入表示用户第 n 个参数的记号，其中 n=1...9”。

在……中 `<替换文本>` 存储的宏定义记号列表的……部分中会有一个 **输出参数** 对应于每一个……的记号 `#1`, `#2`... `#9` 原始定义中出现的。

![在 TeX 记号列表中显示“输出参数”记号](/files/d2ad8ab0de298c926b1eb5991501183d46203536)

如果我们看一下我们对……的定义 `\\foo` (`\def\foo A#1\fake{123 #1}`）我们会看到只有 1 个宏参数（`#1`在 `<参数文本>` (`A#1\fake`）因此只有 1 个宏参数（`#1`）出现在 `<替换文本>` (`123 #1`）：这就导致只有 1 个 **输出参数** 记号出现在表示……的记号列表中 `<替换文本>`.

请注意表示……的节点列表中的以下内容 `\\foo`的 `<替换文本>`:

* 紧挨着……之前的那个记号 **输出参数** 记号表示一个空格字符（类别码 10，字符码 32），因为在……和 `123` 以及宏参数（`#1`）在……的原始定义中 `\\foo`;
* 该 **输出参数** 是列表中的最后一个记号：该 **下一个节点** 具有“null”（意为空）的特殊值，用于终止列表：在……之后不再有节点 **输出参数** 因为它是最后一个记号，表明……的结束 `<替换文本>` 也就是宏定义的结束。

## 第6部分

在第 6 部分，我们将使用一些详细图示来解释并探讨宏展开的确切含义，以及 TeX 在将宏参数喂入宏的……之前对其进行记号化所带来的后果 `<替换文本>`.

[第1部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/19-how-tex-macros-actually-work-part-1.md) [第2部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/20-how-tex-macros-actually-work-part-2.md) [第3部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/21-how-tex-macros-actually-work-part-3.md) [第4部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/22-how-tex-macros-actually-work-part-4.md) [第5部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/23-how-tex-macros-actually-work-part-5.md) [第6部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/24-how-tex-macros-actually-work-part-6.md)


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