rust 过程宏
简介
Rust 编程语言里面有两种宏系统,一种是声明宏(Declarative Macros),另一种为过程宏(Procedural Macros)。声明宏和过程宏是两种基本上完全不一样的宏系统,编写的方式也完全不一致,使用方式除了函数式外也不一致。关于声明宏学习,Rust 宏小册 里面有比较详细的说明,这里不再啰嗦。而对于过程宏,网上是可以搜索到的资料则相对较少,系统介绍学习的资料就更加少了。
过程宏所做的事情则是从输入中获取到标记流,处理这些标记流或者生成新的标记流,然后将处理后的标记流返回给编译器作下一步的处理。需要注意的是,过程宏操作的是Rust AST
(抽象语法树),所以即使是在宏里面,也必须是合法Rust的语法结构。这也就意味着,解析过程宏的过程中,var
表示的是一个合法的标识符,而6var
则是非法的。
这篇文章是,对过程宏进行一些不完全的探讨和学习。
三种过程宏形式
过程宏必须是一个独立的库(很多开源项目喜欢用xxx_derive
的名称命名),这个库只导出过程宏的函数,而这个宏是被编译器调用的。Cargo.toml
里面必须有以下内容表明是一个过程宏:
[lib]
proc-macro = true
proc_macro
是 Rust 编译器提供的编写过程宏所需的类型和工具,过程宏有以下三种表示形式:
derive
式
- 函数带有
#[proc_macro_derive(Name)]
属性或者#[proc_macro_derive(Name, attributes(attr))]
属性 - 函数签名为
pub fn xxxx (proc_macro::TokenStream) -> proc_macro::TokenStream
函数的名称叫什么并不重要,使用时是使用proc_macro_derive
里面的名称,如下例子
#[proc_macro_derive(Getters, attributes(getter))]
pub fn getters(input: TokenStream) -> TokenStream {
//...
}
使用
#[derive(Getters)]
struct Test {
#[getter(name=get_name)]
name: String
}
函数式
- 函数带有
#[proc_macro]
属性 - 函数签名为
pub fn xxx (proc_macro::TokenStream) -> proc_macro::TokenStream
函数的名称就是使用时名称,如下例子:
#[proc_macro]
pub fn lazy_static(input: TokenStream) -> TokenStream {
//...
}
使用方式和声明宏调用一摸一样
lazy_static!{
//...
}
属性式
- 函数带有
#[proc_macro_attribute]
属性 - 函数签名为
pub fn xxx(proc_macro::TokenStream, proc_macro::TokenStream) -> proc_macro::TokenStream
函数的名称就是使用时名称,如下例子:
#[proc_macro_attribute]
pub fn retry(attr: TokenStream, input: TokenStream) -> TokenStream {
//...
}
使用方式和Python
装饰器的使用方式类似
#[retry(times=5, timeout=60s)]
pub fn fetch_data(url: String) -> Result<MyData> {
//...
}
一般来说,derive
式是对原有功能的扩展,原有的声明是保留下的,更多是在原有基础上增加功能,比如增加impl
函数,增加泛型约束等等。函数式则更多的是用于自定义语法的解析,如果声明宏描述语法困难一般可以考虑用函数式来替代。而属性式则是完全对原有功能的改写了,属于替代性的。特别需要注意的是,过程并不是卫生性的,这点是和声明宏不一样。也就是说,过程宏它是会污染当前模块。所以,在过程宏里面定义或使用类型时,必须要用全路径的形式,而自定生成的函数变量等等命名也要特殊考虑,以防止污染了当前模块。
quote
, syn
, proc_macro2
以及trybuild
和cargo-expand
编写过程宏,编译器只提供proc_macro
这个crate
,不过它所提供的功能非常有限,单独使用这个库的话,编写比较啰嗦和麻烦。因此大神dtolnay提供了,
和``这三个库来简化过程宏的编写,有了这三个crate
,编写过程宏就如同编写普通的代码一样,除了调试困难一点外,基本没什么差别。这三个库基本成功编写过程宏事实上的标准。
同时为了使编写过程更加温柔点而不至于暴躁,dtolnay提供了trybuild
这个库用于编写宏的单元测试,cargo-expand
用于过程宏的展开。
proc_macro2
proc_macro
所提供的TokenStream
和quote
和syn
所处理的TokenStream
是不兼容的,所以另外增加一个 proc_macro2
,用于和proc_macro
的TokenStream
互相转换。实际上这个库的使用,只是在最后返回值里面调用一下into
而已。
quote
quote
是将编写的代码转换为Rust token的方式,提供一种称之为quasi-quoting
的方式,将代码视为数据,并可以进行插值。比较常用的是这两个宏:parse_quote!
,quote!
,以及format_ident!
。
syn
这是编写过程宏最重要的一个,大部分时间都是和这个库进行打交道,它表示了一个完整的Rust 语法,如果看语言的Reference感觉到抽象,最好来这里看代码,它以非常具体的编码实现告诉你这个Reference是怎么表示的。
trybuild
平常的单元测试是编译好的代码,然后再运行测试用例。然而过程宏的的测试,处需要测试是否编译通过,也需要编译出错的结果是否正确。这是需要这个trybuild
库了。
cargo-expand
cargo-expand
用于宏代码的展开,需要注意的是,需要正常编译通过的代码才可以进行展开。
使用这quote
, syn
, proc_macro2
三个库来编写过程宏后,框架代码基本一致,一般有如下三个步骤,如下方式:
use proc_macro::TokenStream;
use quote::quote;
use syn::{parse_macro_input, DeriveInput};
#[proc_macro_derive(MyMacro)]
pub fn my_macro(input: TokenStream) -> TokenStream {
// 将输入的标记解析成语法树
let input = parse_macro_input!(input as DeriveInput);
// 使用quote!进行插值处理
let expanded = quote! {
// ...
};
// 将proc_macro2的TokenStream转换为proc_macro的TokenStream
TokenStream::from(expanded)
}
以下,编写三种形式是示例,来看下着三种形式的过程过程宏怎么编写以及怎么使用。示例代码仓库:https://github.com/buf1024/my_macro_demo
示例:derive
式
假设我们需要为结构体生成一系列的getter
函数,当然getter
的名字是可以自定义的也可以根据默认的字段名称生成,也可以设置getter
的可见性,同时根据是否注释生成对应的desc
函数。不需要考虑这样的功能在实际工作中是否有意义,这里的重点是学校过程宏的编写过程。
首先编写宏就是为了使用它,所以第一步,要了解是怎么使用这个宏:
// 首先可以是这样简单使用
#[derive(Getters)]
struct MyStruct {
data: String,
}
// 又或者想变更一下它的名称
#[derive(Getters)]
struct MyStruct {
#[getter(name=get_fuck_data)]
data: String,
}
// 又或者是这样
#[derive(Getters)]
struct MyStruct {
#[getter(vis=pub(crate))]
#[getter(name=get_fuck_data)]
data: String,
}
// 以及可能有注释
#[derive(Getters)]
struct MyStruct {
/// 这是一个data的属性
#[getter(vis=pub(crate))]
#[getter(name=get_fuck_data)]
data: String,
}
// 设置机构体可能复杂, 带上了生命周期参数和泛型
#[derive(Getters)]
struct MyStruct<'a, T: Sync+Send+Constraint> {
#[getter(vis=pub(crate))]
#[getter(name=get_fuck_data)]
data: &'a str,
constraint: T
}
确定了过程宏的使用方式后,我就可以可以定义我们的导出函数了:
#[proc_macro_derive(Getters, attributes(getter))]
pub fn getters(input: TokenStream) -> TokenStream {
let input = parse_macro_input!(input as DeriveInput);
let token_stream = expand_getters(input);
token_stream
.unwrap_or_else(|e| e.into_compile_error())
.into()
}
我们将输入token
流解析为DeriveInput
,是因为DeriveInput
实现了Parse
trait。定义如下:
pub trait Parse: Sized {
fn parse(input: ParseStream) -> Result<Self>;
}
pub struct DeriveInput {
pub attrs: Vec<Attribute>,
pub vis: Visibility,
pub ident: Ident,
pub generics: Generics,
pub data: Data,
}
pub enum Data {
Struct(DataStruct),
Enum(DataEnum),
Union(DataUnion),
}
从DeriveInput
所实现的Parse
和DeriveInput
数据结构可以看出,derive
式过程宏只支持Struct
,Enum
和Union
三种数据结构。
写过程宏的一个重要的工作就是获取所修饰的数据结构的基本信息,而对于derive
式过程宏来说,这些数据放到attrs
这个属性里面,用Attribute
这个结构来表示,Meta
则是存储这样数据的。
pub struct Attribute {
pub pound_token: Token![#],
pub style: AttrStyle,
pub bracket_token: token::Bracket,
pub meta: Meta,
}
pub enum Meta {
Path(Path),
/// A structured list within an attribute, like `derive(Copy, Clone)`.
List(MetaList),
/// A name-value pair within an attribute, like `feature = "nightly"`.
NameValue(MetaNameValue),
}
Meta是什么鬼?按照syn
的文档:
/// text
/// #[derive(Copy, Clone)]
/// ~~~~~~Path
/// ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^Meta::List
///
/// #[path = "sys/windows.rs"]
/// ~~~~Path
/// ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^Meta::NameValue
///
/// #[test]
/// ^^^^Meta::Path
///
需要注意的是,注释文档是解析为#[doc = r" Single line doc comments"]
的。所以,文档注释的获取:
let doc_str: String = f
.attrs
.iter()
.filter(|attr| attr.path().is_ident("doc"))
.try_fold(String::new(), |acc, attr| {
let mnv = match &attr.meta {
syn::Meta::NameValue(mnv) => mnv,
_ => return Err(syn::Error::new_spanned(attr, "expect name value!")),
};
let doc_str = match &mnv.value {
syn::Expr::Lit(syn::ExprLit {
lit: syn::Lit::Str(lit),
..
}) => lit.value(),
_ => return Err(syn::Error::new_spanned(attr, "expect string literal!")),
};
Ok(format!("{}\n{}", acc, doc_str))
})?;
前面提到DeriveInput
实现了Parse
trait进行解析,而我们要对Attribute
里面的内容进行解析,则是需要实现该trait:
impl Parse for GetterMeta {
fn parse(input: syn::parse::ParseStream) -> Result<Self> {
let lookahead = input.lookahead1();
if lookahead.peek(kw::name) {
let _: kw::name = input.parse()?;
let _: Token![=] = input.parse()?;
let name: Ident = if input.peek(LitStr) {
let sl: LitStr = input.parse()?;
let value = sl.value();
format_ident!("{}", value.trim())
} else {
input.parse()?
};
Ok(Self {
name: Some(name),
vis: None,
})
} else if lookahead.peek(kw::vis) {
let _: kw::vis = input.parse()?;
let _: Token![=] = input.parse()?;
let vis = input.parse()?;
Ok(Self {
name: None,
vis: Some(vis),
})
} else {
Err(lookahead.error())
}
}
}
写法可以完全参考DeriveInput
的写法,调用Atrribute
的,parse_args
或parse_args_with
,则可以调用到Parse
trait。
获取到基本的数据后,自然就生成代码,这里两个重要的宏: quote!
和parse_quote!
。最后生成的代码用#[automatically_derived]
进行装饰,说明这是自动生成的代码。
let (impl_generic, type_generic, where_clause) = input.generics.split_for_impl();
Ok(quote! {
#[automatically_derived]
impl #impl_generic #st_name #type_generic #where_clause {
pub fn hello(&self) {
println!("hello!");
}
#getters
}
})
过程宏写好之后,我们就要写单元测试了,当然也可以先写单元测试,再写过程宏,这称为测试用例驱动的开发模式。不过,作为示例,我们不写很详细的测试用例,我们只写两个测试用例,一个是成功的,一个是失败的,展示怎么使用即可。失败的用例,我们需要提供一个和测试文件一致,以.stderr
结尾的输出,如果编译器的输出一致则测试通过,这个输出可以先编译出来,让编译器生成,然后自己对比是不是自己想要的结果。
过程宏使用后,是否符合自己的需要,需要宏展开来观察,使用是cargo exand
命令:
#![allow(dead_code)]
use my_derive::Getters;
#[derive(Getters)]
struct MyStructRef<'a> {
/// 你好呀
#[getter(vis=pub(crate))]
#[getter(name = "get_fuck_data")]
data: &'a str,
}
fn main() {}
//展开代码
#![feature(prelude_import)]
#![allow(dead_code)]
#[prelude_import]
use std::prelude::rust_2021::*;
#[macro_use]
extern crate std;
use my_derive::Getters;
struct MyStructRef<'a> {
/// 你好呀
#[getter(vis = pub(crate))]
#[getter(name = "get_fuck_data")]
data: &'a str,
}
#[automatically_derived]
impl<'a> MyStructRef<'a> {
pub fn hello(&self) {
{
::std::io::_print(format_args!("hello!\n"));
};
}
pub(crate) fn get_fuck_data(&self) -> &'a str {
&self.data
}
pub fn get_fuck_data_desc(&self) -> &'static str {
"你好呀"
}
}
fn main() {}
示例:属性式
假设我们有这样一个需求,可以对原有函数进行增加一些其他功能,比如retry
,可以设置调用超时时间,超时后或者出错后,可以进行重新调用,类似于Python装饰器,可以考虑用属性式过程宏表示。同样,因为是测试例子,所以,没有超时和重试功能,只做怎么获取属性宏的数据和生成代码。
首先确定调用的形式:
#[retry(times=5, timeout=60)]
fn remote_request(a: i32, b: i32) -> i32 {
println!("@remote_request!");
a + b
}
再确定其展开形式:
// cargo exapnd 生成的
fn remote_request(a: i32, b: i32) -> i32 {
fn __new_remote_request(a: i32, b: i32) -> i32 {
{
::std::io::_print(format_args!("@remote_request!\n"));
};
a + b
}
for _ in 0..5 {
__new_remote_request(a, b);
}
for _ in 0..60 {
__new_remote_request(a, b);
}
__new_remote_request(a, b)
}
属性式的签名是这个样子的:
#[proc_macro_attribute]
pub fn retry(attr: TokenStream, input: TokenStream) -> TokenStream
属性和输入流已经作为参数传递给我们了,而我需所要做的是需要将属性解析出来和对原函数的重写。
let item_fn = parse_macro_input!(input as ItemFn);
let args = parse_macro_input!(attr as Args);
和derive
式的一样,通过实现Parse
trait来解析:
impl Parse for RetryAttr {
fn parse(input: syn::parse::ParseStream) -> Result<Self> {
let lookahead = input.lookahead1();
if lookahead.peek(kw::times) {
let _: kw::times = input.parse()?;
let _: Token![=] = input.parse()?;
let times: LitInt = if input.peek(LitInt) {
input.parse()?
} else {
return Err(lookahead.error());
};
Ok(Self {
times: Some(times),
timeout: None,
})
} else if lookahead.peek(kw::timeout) {
let _: kw::timeout = input.parse()?;
let _: Token![=] = input.parse()?;
let timeout: LitInt = if input.peek(LitInt) {
input.parse()?
} else {
return Err(lookahead.error());
};
Ok(Self {
times: None,
timeout: Some(timeout),
})
} else {
Err(lookahead.error())
}
}
}
示例:函数式
假设我们要计算二元二次方程组的值,我们计划是这样使用的:
let (x, y) = formula!(1 * x + 1 * y = 2, 2 * x + 1 * y = 9);
这个宏直接就在编译期间就计算出x,y的值(当然是存在有解的情况下),无解就panic
。为了使问题简单,我们假设x,y前面都是有系数的。过程宏的操作过程就是解析出里面的表达式:
pub(crate) struct FormulaArgs {
formula: Vec<Formula>,
}
impl Parse for FormulaArgs {
fn parse(input: syn::parse::ParseStream) -> Result<Self> {
let attrs = Punctuated::<Formula, Token![,]>::parse_terminated(input)?;
let formula: Vec<_> = attrs.into_iter().collect();
if formula.len() != 2 {
panic!("require two formula")
}
Ok(FormulaArgs { formula })
}
}
#[derive(Default)]
pub(crate) struct Formula {
x: i32,
y: i32,
rs: i32,
}
impl Parse for Formula {
fn parse(input: syn::parse::ParseStream) -> Result<Self> {
let lookahead = input.lookahead1();
let x = if lookahead.peek(LitInt) {
let x_lit: LitInt = input.parse()?;
let x: i32 = x_lit.to_string().parse().unwrap();
let _: Token![*] = input.parse()?;
let _: kw::x = input.parse()?;
x
} else {
return Err(lookahead.error());
};
let r1: Result<Token![+]> = input.parse();
let r2: Result<Token![-]> = input.parse();
let factor = match (r1, r2) {
(Ok(_), Err(_)) => 1,
(Err(_), Ok(_)) => -1,
(_, _) => return Err(lookahead.error()),
};
// let factor = if lookahead.peek(Token![+]) {
// let _: Token![+] = input.parse()?;
// 1
// } else if lookahead.peek(Token![-]) {
// let _: Token![-] = input.parse()?;
// -1
// } else {
// return Err(lookahead.error());
// };
let y = if lookahead.peek(LitInt) {
let y_lit: LitInt = input.parse()?;
let y: i32 = y_lit.to_string().parse().unwrap();
let _: Token![*] = input.parse()?;
let _: kw::y = input.parse()?;
y * factor
} else {
return Err(lookahead.error());
};
let _: Token![=] = input.parse()?;
let rs_lit: LitInt = input.parse()?;
let rs: i32 = rs_lit.to_string().parse().unwrap();
if x == 0 && y == 0 && rs != 0 {
return Err(syn::Error::new_spanned(rs_lit, "invalid equal"));
}
Ok(Self { x, y, rs })
}
}
当解析出所需要的数据后,直接就可以进行插值生成自己所需要的数据。
总结
过程宏的编写过程有两个步骤。
首先是解析出过程宏所需要的信息,这个步骤一般是通过实现syn
所提供的Parse
trait实现的。由于syn表示的也是合法的语法结构,所以并不是所以的写法都是支持的。有时候,解析的时候出出现一些莫名奇妙解析不了的问题,比如解析二元方程时:
// let factor = if lookahead.peek(Token![+]) {
// let _: Token![+] = input.parse()?;
// 1
// } else if lookahead.peek(Token![-]) {
// let _: Token![-] = input.parse()?;
// -1
// } else {
// return Err(lookahead.error());
// };
这段代码总是无法解析成功,原因未解,或者使用姿势不对,又或者是syn
可能潜在有bug
。不过都有变通的方法实现。
其次解析出自己所要的数据后,就可以根据具体的情况进行插值处理,只有是使用到quote
这个库,而大多数情况之下只使用到两个宏: quote!
和parse_quote!
。当然也不是说没有坑。比如说解析出函数的block
时,再重组时,要加上大扩号。再比如,解析出行数调用列表时,解析成一个元组表达式,而插值时,可以放个函数名称在前面,就变成了函数调用。而这些都是变成过程宏编写的惯例吧,习惯就好。
错误处理是给宏的使用者看的,友好的错误提示很容易就让调用者知道哪里错了。而使用错误处理是比较简单的,直接掉用syn::Error
生成一个Span
即可,Span
也是可以combine
的里面有个token
的参数。不过如果不知道token
的情况之下怎么处理呢?目前自己的做法是panic
,这并非是一种明智的方式。或者有更加灵活的处理方式。
使用cargo expand
是可以查看到宏展开的内容,不过cargo expand
的问题是过程宏没有问题时,才可以正常的展开,出现编译问题不展开,这也就造成了调试过程宏的困难,目前也没有什么好的办法去解决。
总体来说,过程宏的编写并不是非常困难,syn
表示了一个完整的Rust语法,查看里面语法的表示,比看语言Reference强太多了,而这对于更深入了解声明宏的片段分类符更有帮助!proc-macro-workshop 是大神dtolnay设计的过程宏系统,全部做出来,估计写过程宏没有什么问题了。
再贴一下示例代码仓库:https://github.com/buf1024/my_macro_demo
Post AT:
https://mp.weixin.qq.com/s/17jPRjzyU4lkSD-mS1wxvg
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