rust宏(macro)详解

前言

rust 学习曲线非常陡峭，但是基本语法也还算挺好理解，自动内存管理有点类似智能指针，基本看一下语法入门就可以大概理解，但是唯独宏很难理解，语法非常晦涩。但是功能非常强大。声明宏类似于c语言的宏处理，但是功能更强大。过程宏则类似于Android的注解编程，自定义AbstractProcessor，但是实现更优雅。
下面记录一下宏处理的一些特点

正文

目前主流的文章都是翻译自官方文档，或者取部分Rust语言圣经，关键的部分特性就确实，只有rust宏详解中非常详细的介绍，这里简要记录一下特点

声明宏

声明宏主要是替代，主要是通过简单的模式匹配，然后进行操作，这貌似非常容易处理面向对象的工厂模式，或者解决方法多参数操作，比如

macro_rules! vec {
    () => (
        $crate::__rust_force_expr!($crate::vec::Vec::new())
    );
    ($elem:expr; $n:expr) => (
        $crate::__rust_force_expr!($crate::vec::from_elem($elem, $n))
    );
    ($($x:expr),+ $(,)?) => (
        $crate::__rust_force_expr!(<[_]>::into_vec(
            // This rustc_box is not required, but it produces a dramatic improvement in compile
            // time when constructing arrays with many elements.
            #[rustc_box]
            $crate::boxed::Box::new([$($x),+])
        ))
    );
}

这就是根据不同的匹配模式，=>的前半部分，替换成后半部。比如无参数的vec。因为这是系统接口，这里不在详细介绍操作，只介绍匹配，

1. ()是无参构造函数。
2. ($elem:expr; $n:expr)这是匹配模式类似vec![1;5],这是创造一个size是5的，值是1的vec。
3. 这个是匹配vec![1, 2, 3]，这是构造一个内容是1、2、3的vec

第二个匹配模式中，$elem是为匹配的内容命名，方便后面使用，expr（一个表达式 (expression)）指明匹配的元素，；就不用解释，就是字面值。$n:expr同样道理。
第二个匹配则稍微复杂一些，这里则用的是循环模式。循环是通过$(....)来指明的，括号内为循环内容，为了方便阅读，则需要有分隔符和循环次数，这里是通过，定义分隔符，+定义循环至少一次。$(,)?又是一个循环，循环内容则是，。而循环一次则是最多一次。

所有的语句如下：

block：一个块（比如一块语句或者由大括号包围的一个表达式）
expr：一个表达式 (expression)
ident：一个标识符 (identifier)，包括关键字 (keywords)
item：一个条目（比如函数、结构体、模块、impl 块）
lifetime：一个生命周期注解（比如 'foo、'static）
literal：一个字面值（比如 “Hello World!”、3.14、‘’）
meta：一个元信息（比如 #[…] 和 #![…] 属性内部的东西）
pat：一个模式 (pattern)
path：一条路径（比如 foo、::std::mem::replace、transmute::<_, int>）
stmt：一条语句 (statement)
tt：单棵标记树
ty：一个类型
vis：一个可能为空的可视标识符（比如 pub、pub(in crate)）

循环则如下：

反复捕获的一般形式为 $ ( … ) sep rep。

$ 是字面上的美元符号标记
( … ) 是被反复匹配的模式，由小括号包围。
sep 是可选的分隔标记。它不能是括号或者反复操作符 rep。常用例子有 , 和 ; 。
rep 是必须的重复操作符。当前可以是：

1. ?：表示最多一次重复，所以此时不能前跟分隔标记。
2. *：表示零次或多次重复。
3. +：表示一次或多次重复。

过程宏

分为三类

• 派生宏（Derive macro）：用于结构体（struct）、枚举（enum）、联合（union）类型，可为其实现函数或特征（Trait）。
• 属性宏（Attribute macro）：用在结构体、字段、函数等地方，为其指定属性等功能。如标准库中的#[inline]、#[derive(…)]等都是属性宏。
• 函数式宏（Function-like macro）：用法与普通的规则宏类似，但功能更加强大，可实现任意语法树层面的转换功能。

声明宏需要解析传入的参数，进行匹配，而过程宏则需要自己解析传入的内容，然后进行补充，生成代码。这里需要解析TokenStream，举个例子，就是用宏为一个结构体实现构建者模式。

#[derive(Builder)]
struct Command {
    // ...
}

最麻烦的是如何实现Builder

#[derive(Builder)]
struct Command {
	input_paht: String,
    // ...
}


pub fn derive_builder(input: TokenStream) -> TokenStream {
    let input = parse_macro_input!(input as DeriveInput); // 解析input为 DeriveInput类型
    let input_ident = input.ident;  // 获取原始类名
    let ident_builder = format_ident!("{}Builder", input_ident.to_string()); // 拼接builder类名

    if let Data::Struct(r) = input.data {   // 处理结构体
        let fields = r.fields;

        // 结构体属性声明
        let builder_fields = map_fields(&fields, &mut |(ident, ty)| {
            quote!(
                #ident: Option<#ty>,
            ) 
        });

        // 为builder增加set函数
        let builder_set_fields = map_fields(&fields, &mut |(ident, ty)| {
           quote!(
                pub fn #ident(mut self, value: #ty) -> Self {
                    self.#ident = Some(value);
                    self
                }
           ) 
        });

        // 获取builder的属性值
        let builder_lets = map_fields(&fields, &mut |(ident, _)| {
            quote!(
                let #ident = self.#ident.ok_or(format!(
                    "field {:?}  not set yet", stringify!(#ident),
                ))?;
            )
        });

        // 初始化时的默认值
        let builder_fields_values = map_fields(&fields, &mut |(ident, _)| {
            quote!(
                #ident,
            )
        });

        quote!(
            impl #input_ident {
                pub fn builder() -> #ident_builder {
                    #ident_builder::default()
                }
            }

            #[derive(Default)]
            pub struct #ident_builder {
                #builder_fields
            }

            impl #ident_builder {
                #builder_set_fields
                pub fn build(self) -> Result<#input_ident, String> {
                    #builder_lets
                    Ok(#input_ident{ #builder_fields_values })
                }
            }
        ).into()

    } else {
        // 不支持非struct类型
        quote!().into()
    }
}

fn map_fields<F>(fields: &Fields, mapper:&mut F) -> TokenStream2
where
    F: FnMut((&Option<proc_macro2::Ident> ,  &Type)) -> TokenStream2,
{
    let fs = fields.iter().map(|field| mapper((&field.ident ,&field.ty)) );
    let stream2 = TokenStream2::from_iter(fs);
    stream2
}

这里为Command实现了builder方法如下：

impl Command{
	pub fn builder() -> CommandBuilder{
	CommandBuilder::default()
	}
}

pub struct CommandBuilder{
    input_path: String,
}

impl CommandBuilder{
     pub fn (mut self, value: String) -> Self {
         self.input_path = Some(value);
         self
     }
     pub fn build(self) -> Result<Command, String> {
          let input_path= self.input_path.ok_or(format!(
                    "field {:?}  not set yet", stringify!(input_path),
           ))?;
          Ok(Command{ input_path })
          }
    }

属性宏则可以传入参数，让控制更自由一些，这里就不在详细介绍
函数式宏则相对比较简单，类似声明宏，但是可以不去匹配规则，更自由，功能更强大。

解析TokenStream需要依赖一些库，这比较复杂，就不在详细介绍。要结合自己代码需求，慢慢理解。

分析工具

cargo.exe  install cargo-expand

cargo.exe expand

后记

rust实在是复杂，这里解释一些语法规则，以后遇到问题再补充。