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macro

SKILL.md

仓颉语言宏 Skill

1. 宏概述

1.1 核心概念

  • 宏是特殊函数，输入和输出均为程序片段（非值）
  • 使用 @ 前缀调用：@macroName(...)
  • 宏接收 Tokens 输入，转换后返回新的 Tokens，在编译时替换调用处
  • 须声明在专用的宏包中：macro package <name>
  • 所有宏实现须 import std.ast.*

2. Token 与 Tokens 类型

2.1 Token 类型

  • Token 是最小词法单元：标识符、字面量、关键字或运算符
  • 每个 Token 有：类型（TokenKind）、内容、位置信息
  • 构造函数：Token(k: TokenKind) 或 Token(k: TokenKind, v: String)
  • 示例：Token(TokenKind.ADD) → +，Token(TokenKind.IDENTIFIER, "x") → x

2.2 Tokens 类型

  • Tokens 是 Token 对象的序列
  • 构造函数：Tokens()、Tokens(tks: Array<Token>)、Tokens(tks: ArrayList<Token>)
  • 操作：size、get(index)、[] 索引、+ 拼接、dump() 调试输出、toString() 代码字符串

2.3 Quote 表达式与插值

  • quote(...) 将代码模板转换为 Tokens
  • 在 quote 内使用 $(expr) 插值来插入实现 ToTokens 的表达式
  • 支持 ToTokens 的类型：所有 AST 节点类型、Token/Tokens、所有基本类型、Array<T>、ArrayList<T>

2.4 Quote 转义规则

  • quote 中未匹配的括号须用 \ 转义：\( 或 \)
  • $ 作为字面 token（非插值）须转义：\$
  • 输入中的 @ 须转义：\@

3. 宏实现

3.1 非属性宏

  • 定义：public macro MacroName(args: Tokens): Tokens { ... }
  • 调用：@MacroName(...) 带括号，或 @MacroName 在声明前（括号可选）
  • 可应用于：func、struct、class、var、enum、interface、extend、prop 等声明

输入规则

  • 输入须为合法的 Token 序列
  • 未匹配的 ( ) 须用 \ 转义

展开后规则

  • 展开代码须为合法仓颉代码
  • 展开代码不能包含包声明或导入语句

3.2 属性宏

  • 定义：public macro Foo(attrTokens: Tokens, inputTokens: Tokens): Tokens { ... }
  • 有两个 Tokens 参数：属性 token + 输入 token
  • 调用语法：@Foo[attrContent](inputContent) 或 @Foo[attrContent] 在声明前
  • 属性内容在 [] 中，常规内容在 () 中

一致性规则

  • 若宏定义有 2 个参数（属性宏），调用处须使用 []（可为空）
  • 若定义有 1 个参数（非属性宏），调用处不能使用 []

3.3 嵌套宏

  • 宏定义不能嵌套，但宏调用可以出现在宏定义和宏调用处内部
  • 展开顺序：内层宏先展开，然后外层。始终由内向外

3.4 嵌套宏通信

上下文断言

  • assertParentContext("OuterMacroName") — 若内层宏不在指定外层宏内则报错
  • insideParentContext("OuterMacroName") — 返回 Bool

消息传递（内 → 外）

  • 内层宏发送数据：setItem("key", "value")
  • 外层宏接收：getChildMessages("InnerMacroName") 返回消息对象集合
  • 每个消息对象支持 getString("key") 获取值

4. std.ast 包与语法节点

4.1 std.ast 包概述

std.ast 是仓颉宏编程的核心依赖包，提供源码的词法分析和语法解析能力。主要包含：

  • 词法单元：Token（单个词法单元）和 Tokens（词法单元序列），以及 TokenKind 枚举（表示所有词法结构：符号、关键字、标识符等）
  • 语法解析器：将 Tokens 解析为抽象语法树（AST）节点对象的函数族（parseExpr、parseDecl、parseType 等）
  • AST 节点体系：以 Node 为基类的完整语法树节点类型，涵盖声明（Decl）、表达式（Expr）、类型（TypeNode）、模式（Pattern）四大分支
  • Visitor 遍历框架：Visitor 抽象类提供节点访问函数，配合 traverse() 实现 AST 遍历
  • 嵌套宏上下文通信：assertParentContext、insideParentContext、setItem、getChildMessages 等函数，用于宏展开时的上下文信息传递
  • 诊断报告：diagReport 函数在宏展开阶段输出 ERROR/WARNING 级别的编译信息
  • 辅助工具：cangjieLex（字符串转 Tokens）、compareTokens（Tokens 比较）、ToTokens/ToBytes 接口

所有宏实现文件须 import std.ast.*

4.2 AST 节点层次

  • Node — 所有语法节点的基类
  • TypeNode — 所有类型节点
  • Expr — 所有表达式节点
  • Decl — 所有声明节点
  • Pattern — 所有模式节点

4.3 解析函数

函数 说明
parseExpr(Tokens) 解析为表达式节点 Expr
parseDecl(Tokens) 解析为声明节点 Decl
parseType(Tokens) 解析为类型节点 TypeNode
parsePattern(Tokens) 解析为模式节点 Pattern
parseProgram(Tokens) 解析整个源文件为 Program 节点
parseExprFragment(Tokens, Int64) 部分解析表达式，返回 (Expr, Int64)
parseDeclFragment(Tokens, Int64) 部分解析声明，返回 (Decl, Int64)

也可通过直接构造函数创建节点：BinaryExpr(quote(a + b))、FuncDecl(quote(func f1(...) {...})) 等

4.4 常用节点类型与属性

节点类 常用属性
FuncDecl identifier、funcParams、declType、block、modifiers
ClassDecl identifier、body、modifiers、superTypes
StructDecl identifier、body、modifiers
VarDecl identifier、declType、expr、keyword（var/let）
BinaryExpr leftExpr、op、rightExpr
CallExpr callExpr、arguments
Block nodes: ArrayList<Node>
Body decls: ArrayList<Decl>
FuncParam identifier、paramType

4.5 在 Quote 中插值节点

  • 任何节点：$(node) 在 quote 内
  • ArrayList<Node> 可插值（项依次列出并换行）
  • 插值不会自动为优先级添加括号，须手动包装

4.6 Visitor 遍历模式

import std.ast.*

class MyVisitor <: Visitor {
    public override func visit(varDecl: VarDecl) {
        println("Found var: ${varDecl.identifier.value}")
        breakTraverse()  // 不继续遍历子节点
        return
    }
}

// 使用方式：node.traverse(MyVisitor())

4.7 辅助工具函数

函数 说明
cangjieLex(String) 字符串转 Tokens
compareTokens(Tokens, Tokens) 比较两个 Tokens
diagReport(level, tokens, msg, hint) 宏展开阶段报错（ERROR/WARNING）

5. 宏包编译与构建

详细的编译构建指导请参考 cangjie-macro-build Skill，包含 cjc/cjpm 编译命令、项目结构、不同平台配置、并行宏展开、调试模式等完整说明。

基本规则

  • 宏须在 macro package 声明的包中，宏定义和调用须在不同包中
  • 宏包须先编译（cjc --compile-macro），再编译调用包
  • 推荐使用 cjpm 管理宏模块依赖，在宏模块 cjpm.toml 中设置 compile-option = "--compile-macro"

6. 典型示例代码

6.1 快速幂（编译时代码生成）

  • 属性宏 @power[10](n) 在编译时展开幂运算循环

6.2 记忆化（自动缓存）

  • @Memoize[true] 将递归函数转换为使用 HashMap 缓存结果

6.3 扩展 dprint（多表达式打印）

  • @dprint2(x, y, x + y) 打印多个逗号分隔的表达式

6.4 简单 DSL（类 LINQ 查询）

  • @linq(from x in 1..=10 where x % 2 == 1 select x * x) 实现迷你查询语言

6.5 非属性宏：自动生成 toString

宏定义（macros/src/my_macros.cj）：

macro package macros

import std.ast.*

public macro AutoToString(input: Tokens): Tokens {
    let decl = parseDecl(input)
    let classDecl = match (decl as ClassDecl) {
        case Some(v) => v
        case None =>
            diagReport(DiagReportLevel.ERROR, input,
                "AutoToString 只能用于 class 声明", "此处不是 class")
            return input
    }
    let className = classDecl.identifier

    // 收集所有 var/let 成员变量名
    var fields = ArrayList<Token>()
    for (d in classDecl.body.decls) {
        if (let Some(varDecl) <- (d as VarDecl)) {
            fields.add(varDecl.identifier)
        }
    }

    // 使用 quote 构建 toString 方法体：拼接所有字段
    // 注意：$(expr) 在 quote 的字符串字面量内不会被插值，
    // 需通过 .value 获取字符串，再用 $(str) 插入为字面量 Token
    var parts = quote(var result = $(className.value) + "{")
    for (f in fields) {
        let label = " " + f.value + "="
        parts = quote($(parts)
            result += $(label) + this.$(f).toString()
        )
    }
    parts = quote($(parts)
        result += " }"
        return result
    )

    // 用 quote + parseDecl 生成 toString 方法并添加到 class
    let funcDecl = parseDecl(quote(
        public func toString(): String {
            $(parts)
        }
    ))
    classDecl.body.decls.add(funcDecl)
    return classDecl.toTokens()
}

调用处（src/main.cj）：

import macros.*

@AutoToString
class User {
    var name: String = ""
    var age: Int64 = 0
    init(name: String, age: Int64) {
        this.name = name
        this.age = age
    }
}

main() {
    let u = User("Alice", 30)
    println(u.toString())
    // 输出: User{ name=Alice age=30 }
}

6.6 属性宏：条件日志

macro package macros

import std.ast.*

public macro Log(attrTokens: Tokens, inputTokens: Tokens): Tokens {
    let level = attrTokens.toString().trimAscii()
    let funcDecl = FuncDecl(inputTokens)
    let funcName = funcDecl.identifier.value

    // 在宏展开阶段构造日志消息字符串，通过 quote 插入为字符串字面量
    // 注意：$(expr) 在 quote 的字符串字面量内不会被插值
    let logMsg = "[${level}] entering ${funcName}"
    let logStmt = quote(println($(logMsg)))

    // 在函数体开头插入日志语句
    let oldNodes = funcDecl.block.nodes
    funcDecl.block.nodes = ArrayList<Node>()
    funcDecl.block.nodes.add(parseExpr(logStmt))
    for (n in oldNodes) {
        funcDecl.block.nodes.add(n)
    }
    return funcDecl.toTokens()
}

调用处：

import macros.*

@Log[DEBUG]
func compute(x: Int64): Int64 {
    return x * 2
}

main() {
    println(compute(2))
}

6.7 AST 操作：遍历并修改节点

import std.ast.*

// 查找所有函数声明并打印函数名
class FuncCollector <: Visitor {
    public var funcNames = ArrayList<String>()
    public override func visit(funcDecl: FuncDecl) {
        funcNames.add(funcDecl.identifier.value)
    }
}

main() {
    let code = quote(
        class Calc {
            func add(a: Int64, b: Int64): Int64 { a + b }
            func sub(a: Int64, b: Int64): Int64 { a - b }
        }
    )
    let decl = parseDecl(code)
    let collector = FuncCollector()
    decl.traverse(collector)
    for (name in collector.funcNames) {
        println("Found function: ${name}")
    }
    // 输出: Found function: add
    //       Found function: sub
}

7. 最优实践指导

7.1 项目组织

  • 宏定义必须在 macro package 中，与调用代码分离为独立模块
  • 使用 cjpm 管理宏模块依赖，避免手动 cjc --compile-macro 编译
  • 宏包中仅宏定义可为 public，辅助函数保持包内可见

7.2 输入验证

  • 始终验证输入节点类型，使用 as 模式匹配 + diagReport 报告错误
  • 提供清晰的错误信息和位置提示，而非让编译器产生难以理解的错误

7.3 代码生成

  • 优先使用 quote(...) + $(...) 插值生成代码，保持模板可读性
  • 避免手动拼接 Token，除非需要动态构造标识符
  • 插值不会自动添加括号，必要时手动包裹 ParenExpr

7.4 AST 操作

  • 使用 parseDecl/parseExpr 将 Tokens 转为强类型节点后再操作
  • 修改节点后用 node.toTokens() 转回 Tokens 返回
  • 利用 Visitor 模式遍历复杂 AST，避免手动递归
  • 使用 dump() 调试 AST 结构

7.5 调试与安全

  • 开发阶段使用 --debug-macro 查看展开结果
  • 避免在宏中使用全局可变状态（并行展开不安全）
  • 嵌套宏通信使用 setItem/getChildMessages，而非全局变量
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