动态绑定和宏答案

【问题标题】：Dynamic Binding and Macros动态绑定和宏
【发布时间】：2017-06-17 02:26:05
【问题描述】：

考虑以下代码：

CL-USER> (defmacro sum (a b)
           (+ a b))
SUM
CL-USER> (let ((alpha 3) (beta -1))
           (sum alpha beta))
; in: LET ((ALPHA 3) (BETA -1))
;     (SUM ALPHA BETA)
; 
; caught ERROR:       
;   during macroexpansion of (SUM ALPHA BETA). Use *BREAK-ON-SIGNALS* to intercept.
;   
;    Argument X is not a NUMBER: ALPHA

;     (LET ((ALPHA 3) (BETA -1))
;       (SUM ALPHA BETA))
; 
; caught STYLE-WARNING:
;   The variable ALPHA is defined but never used.
; 
; caught STYLE-WARNING:
;   The variable BETA is defined but never used.
; 
; compilation unit finished
;   caught 1 ERROR condition
;   caught 2 STYLE-WARNING conditions
; Evaluation aborted on #<SB-INT:COMPILED-PROGRAM-ERROR {10030E4223}>.

基本上有两个原因（我能想到），导致此代码失败：
1. 宏sum 首先根据两个变量alpha 和beta 求值，它们作为符号发送到宏中。因此，宏内部要评估的代码是：

(+ 'alpha 'beta)

这行不通，因为我们不能添加两个符号。
2.变量alpha和beta是词法绑定的，因此宏的代码不能访问alpha和beta的符号值。
因此，重新定义sum：

CL-USER> (defmacro sum (a b)
           (+ (symbol-value a) (symbol-value b)))
WARNING: redefining COMMON-LISP-USER::SUM in DEFMACRO
SUM

在这里，宏 sum 将评估提供给它的符号的值。只有在符号范围内，它才能做到这一点。因此，为了做到这一点，我们可以动态绑定alpha 和beta。
此外，为了检查动态绑定是否有效，我们可以创建一个函数dynamic-checker，定义如下：

CL-USER> (defun dynamic-checker ()
           (+ alpha beta))

; in: DEFUN DYNAMIC-CHECKER
;     (+ ALPHA BETA)
; 
; caught WARNING:
;   undefined variable: ALPHA
; 
; caught WARNING:
;   undefined variable: BETA
; 
; compilation unit finished
;   Undefined variables:
;     ALPHA BETA
;   caught 2 WARNING conditions
DYNAMIC-CHECKER

最后，我们可以在 REPL 中评估这段代码：

CL-USER> (let ((alpha 3) (beta -1))
           (declare (special alpha))
           (declare (special beta))
           (print (dynamic-checker))
           (sum alpha beta))

这给了我们错误：

; in: LET ((ALPHA 3) (BETA -1))
;     (SUM ALPHA BETA)
; 
; caught ERROR:
;   during macroexpansion of (SUM ALPHA BETA). Use *BREAK-ON-SIGNALS* to intercept.
;   
;    The variable ALPHA is unbound.
; 
; compilation unit finished
;   caught 1 ERROR condition

2 ; Evaluation aborted on #<SB-INT:COMPILED-PROGRAM-ERROR {1003F23AD3}>.
CL-USER>

注意错误代码末尾的2。这是由函数dynamic-checker返回的，它添加了alpha和beta，尽管它们不是它的参数，这证明变量alpha和beta可以被@的成员动态访问987654345@.
因此，宏 sum 现在应该可以工作了，因为之前出现的两个问题都已解决。
但显然情况并非如此，我遗漏了一些东西。
任何帮助表示赞赏。

【问题讨论】：

宏中参数A和B的值是符号ALPHA和BETA。通常宏扩展将在编译时发生，早在评估 LET 并建立绑定之前，因此代码无法工作。如果您使用解释模式，您也许可以对SYMBOL-VALUEs 求和，但您不应该依赖它。

标签： macros common-lisp dynamic-scope

【解决方案1】：

解释器和编译器与交互性

Common Lisp 允许解释器和编译器。您可以交互地使用 read-eval-print-loop 并不意味着实现使用解释器。它可以只增量编译代码，然后调用编译后的代码。 Lisp 解释器从 Lisp 表示中运行代码。 SBCL 默认不使用解释器。它使用编译器。

使用口译员

LispWorks 有一个解释器。让我们使用它：

CL-USER 8 > (defun test ()
              (let ((alpha 3) (beta -1))
                (declare (special alpha))
                (declare (special beta))
                (print (dynamic-checker))
                (sum alpha beta)))
TEST

CL-USER 9 > (test)

2 
2

这样代码就可以工作了，因为 Lisp 解释器会执行表单，当它看到一个宏时，它会随时展开它。绑定可用。

让我们使用 LispWorks 步进器，它使用解释器。 :s 是 step 命令。

(step (test))

(TEST) -> :s
   (LET ((ALPHA 3) (BETA -1))
     (DECLARE (SPECIAL ALPHA))
     (DECLARE (SPECIAL BETA))
     (PRINT (DYNAMIC-CHECKER))
     (SUM ALPHA BETA)) -> :s
      3 -> :s
      3 
      -1 -> :s
      -1 
      (PRINT (DYNAMIC-CHECKER)) -> :s
         (DYNAMIC-CHECKER) -> :s
            (+ ALPHA BETA) -> :s
               ALPHA -> :s
               3 
               BETA -> :s
               -1 
            2 
         2 
2                                ; <- output
      2 
      (SUM ALPHA BETA) <=> 2     ; <- macro expansion to 2
      2 -> :s                    
      2                          ; 2 evaluates to itself
   2 
2 
2

编译失败

但我们无法编译您的代码：

CL-USER 10 > (compile 'test)

Error: The variable ALPHA is unbound.
  1 (continue) Try evaluating ALPHA again.
  2 Return the value of :ALPHA instead.
  3 Specify a value to use this time instead of evaluating ALPHA.
  4 Specify a value to set ALPHA to.
  5 (abort) Return to level 0.
  6 Return to top loop level 0.

Type :b for backtrace or :c <option number> to proceed.
Type :bug-form "<subject>" for a bug report template or :? for other options.

编译器尝试扩展宏，但不运行代码。由于LET 表单没有被执行（编译器只将它编译成别的东西，但不执行它），所以alpha 没有绑定。

风格

一般来说，避免在封闭代码中编写需要运行时状态的宏是个好主意。这样的宏只能由解释器执行。

【讨论】：

在运行时，sum 将返回(+ (symbol-value a) (symbol-value b))，使用值alpha 和beta 执行，并且仅在之后，代码(let...) 的主体被执行。对吗？
@Mooncrater: 执行 LET，创建绑定，然后执行 LET 主体，执行 PRINT 表单，然后执行 SUM 表单，宏函数为sum 将被调用，宏返回一个数字，然后将该数字计算为自身并返回。
@Mooncrater：确保您了解宏函数返回一个数字。它在宏扩展时计算这个数字。这仅对某些任务有意义，例如出于优化目的对代码进行编译时评估。
（关于您的第一条评论）在解释的情况下会发生这种情况。不是吗？在编译的情况下，绑定（动态绑定）不能在宏扩展之前创建，因为在这种情况下宏会知道alpha 和beta 的值。抱歉，我忘了在评论中提到编译。

【解决方案2】：

根据用户 jkiiski 的评论，我觉得您需要了解这两个操作（宏操作和程序/功能应用程序）何时在通常编译的代码中发生。此外，我不建议您编写您定义的宏，但会出于教育目的使用它们。

让我们从显式声明两个特殊符号开始，并将它们绑定到一些值：

CL-USER> (defvar alpha 6)
6
CL-USER> (defvar beta 5)
5

这不仅将两个变量建立为特殊/动态，而且还分别将它们绑定到值 6 和 5。

更重要的是，通过这样做，我们在您的宏中的示例或您的代码将被评估之前建立变量和绑定。

现在我们运行您的最终表单，我们应该得到以下信息：

CL-USER> (let ((alpha 3) (beta -1))
           (declare (special alpha))
           (declare (special beta))
           (print (dynamic-checker))
           (sum alpha beta))

2
11

由于(dynamic-checker)的打印，打印了第一个值2。返回值 11 是因为宏 sum 解析为值 11，然后它有效地取代了 (sum alpha beta) 的形式，并在您的 (let ...) 代码的实际评估中返回。

要意识到的重要一点是宏在编译时被评估：也就是说，在(let ...) 的最终形式被编译和运行之前。因为它是在您的 (let ...) 表单之前评估的，所以当宏解析时，您的 let 表单不会建立 3 和 -1 到符号 alpha 和 beta 的绑定。在此之前，我一直厚颜无耻地对值 6 和 5 进行了显式绑定，这就是宏所看到的。

成功解析宏后，你的 let 表单有效变为：

(let ((alpha 3) (beta -1))
  (declare (special alpha))
  (declare (special beta))
  (print (dynamic-checker))
  11)

这就解释了为什么我们现在没有错误，是什么导致了您之前的示例中的错误，以及为什么我们从上面指定的添加中得到了输出，并且我们可以明确地看到宏/let 表单何时被解析。

【讨论】：