Rust语言宏原理及开发教程

Stella981
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Rust语言最强大的一个特点就是可以创建和利用宏/Macro。不过创建Rust宏看起来挺复杂,常常令刚接触Rust的开发者心生畏惧。这片文章的目的就是帮助你理解Rust Macro的基本运作原理,学习如何创建自己的Rust宏。

相关链接:在线学编程

1、什么是Rust的宏/Macro?

Rust语言宏原理及开发教程

如果你尝试过Rust,应该已经用过Rust的宏了:println!。这个宏可以在终端输出一行文本,并且支持变量的插值。

简单地说,Rust宏让你可以发明自己的语法,编写出可以自行展开的代码,也就是我们通常所说的元编程,你甚至可以用Rust宏来创作自己的DSL。

Rust宏的基本运作机制就是:首先匹配宏规则中定义的模式,然后将匹配结果绑定到变量,最后展开变量替换后的代码。

不理解也没有关系,让我们继续看。

2、如果创建Rust宏/Macro?

可以使用Rust预置的macro_rules!宏来创建一个新的Rust宏。

下图展示了如何创建一个空白的Rust宏:hey!,这个宏什么功能也没有,我们现在只关注它的结构:

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() => {}看起来很神秘,因为它不是标准的rust语法,是macro_rules!这个宏自己发明的,用来表示一条宏规则,=>左边是匹配模式,右边是等待展开的代码:

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左边的小括号部分是Rust宏的匹配器/Matcher,用来匹配模式并捕捉变量,这是我们发明自定义语法和DSL的关键所在。

右边的大括号部分是Rust宏的转码器/Transcriber,也就是我们要应用匹配器捕捉到的变量的部分,Rust编译器将利用变量和这部分的代码来生成实际的Rust代码。

类似于Rust中的match语句,在macro_rules!中可以定义多条宏规则,例如:

macro_rules! hey{
  () => {},
  () => {}
}

3、模式匹配与变量捕捉

现在我们看看Rust宏的模式是如何匹配的。

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在匹配器/Matcher中,$name部分定义了变量名,匹配结果将绑定到该变量以便应用到转码器/Transcriber中。在这个示例中,表示我们将Rust宏的匹配结果存入变量$name

冒号后面的部分被称为选择器/Designator,用于声明我们要匹配的类型。例如在这个示例中,我们使用的是表达式选择器,也就是expr,这告诉Rust:匹配一个表达式,然后存入$name变量。

表达式选择器只是Rust中众多可用选择器中的一个,下面是一些常见的Rust宏选择器:

  • item:条目,例如函数、结构、模块等
  • block:代码块
  • stmt:语句
  • pat:模式
  • expr:表达式
  • ty:类型
  • ident:标识符
  • path:路径,例如 foo、 ::std::mem::replace, transmute::<_, int>, ...
  • meta:元信息条目,例如 #[...]和 #![rust macro...] 属性
  • tt:词条树

那么,现在如何在转码器/Transcriber中应用我们捕捉到的变量?

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很简单,在Rust宏转码器部分我们只需要在常规的Rust代码中,嵌入匹配器捕捉到的变量就行了,没什么特别之处!

4、编写第一个Rust宏

我们已经了解了如何编写一个Rust宏,现在让我们动手写一个:

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很简单,对吧?

5、重复模式的提取与利用

我们用的许多Rust宏都可以支持非常多的输入。以vec!宏为例,我们可以这样调用它:vec![rust macro1,2,3,4,5],或者这样:vec![rust macro1,2,3,,4,5,6,7,8]

那么vec!宏是如何实现这一点的?很显然它不会去定义成千上万个变量来逐个保存匹配结果,秘密在于重复模式的匹配:

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我们只需要把希望重复的模式写在$(...)这部分,然后插入分隔符,在这里也就是逗号,最后添加一个*符号,表示重复匹配$()中的模式。

还有点晕?让我们看个具体的例子:

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在这个示例中,对于hey!宏,我们重复捕捉输入表达式并存入变量$name,也就是说,所有捕捉到的表达式都绑定到变量$name了 —— 不妨把 $name想象成数组变量。

6、用重复模式在Rust中实现Ruby的哈希表语法

如果你之前写过Ruby程序,可能还记得在Ruby中定义哈希表的语法:key => value。现在我们可以用Rust宏来在Rust中实现哈希表的这种定义方法!

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在Rust宏的匹配器部分,我们使用模式$key:expr => $value:expr来分别捕捉$key$value表达式,分隔符为=>。不过现在只能匹配一个键/值对,但是哈希表通常都是多个键值对的。应该如何实现?

答案是使用重复匹配:

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将我们要匹配的键/值对模式放到$(),*,就可以进行重复匹配了。COOL!!

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那么,如何应用捕捉到的键/值对?显然,我们应该在Rust宏的转码器中创建哈希表对象,然后将捕捉到的所有键值对插入该哈希表:

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在转码器中,注意代码中的$()*,它的意思是其中的代码会重复展开!

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就像你看到的,当我们调用map!("name" => "Finn", "gender" => "Boy")时,我们在生成两段重复的代码。

key => value将被转码为在Rust宏的转码器/transcriber中指定的代码,也就是hm.insert($key, $value),其中$key$value是我们在Rust宏的匹配器部分捕捉到的变量。

好了,让我们看看完整的map!宏实现:

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只用了几行代码,我们就创建了一个功能完整的Rust宏!现在让我们写个小程序测试一下:

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COOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOL.


原文链接:Rust宏编程新手指南 — 汇智网

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