TT Muncher macro!

Rust宏编程中的高级技巧 - “增量TT Munchers”

链接 https://lukaswirth.dev/tlborm/decl-macros/patterns/tt-muncher.html。这个模式是编写声明式宏（macro_rules!）时一种非常强大但也很复杂的技巧。

简单来说，TT Muncher是一种通过递归方式“蚕食”（munch）输入 token，从而实现复杂逻辑的宏。

1. 什么是 "TT"？

在Rust宏的语境里，tt 是 "Token Tree"（词法树）的缩写。一个Token Tree是Rust编译器在解析代码时处理的最小语法单元，它可以是：

• 一个标识符（如 foo, x）
• 一个字面量（如 123, "hello", 'c'）
• 一个标点符号（如 +, ->, ;）
• 一个被括号 (), [], {} 包围的Token Tree序列。

在宏中，通过 $:tt 可以匹配任意一个这样的单元。

2. 什么是 "Muncher"（蚕食者）？

"Muncher"这个词很形象地描述了这种宏的工作方式。想象一个贪吃蛇，它一口一口地吃掉豆子。TT Muncher宏也是如此，它会：

1. 匹配输入的一部分：定义一个或多个匹配规则，每次只处理输入序列开头的几个token。
2. 处理（Munch）：对匹配到的这部分token进行处理，生成一部分最终代码。
3. 递归调用：将剩余未处理的token作为新的输入，再次调用自身。
4. 终止条件：定义一个或多个基本情况（base case），当输入为空或者满足特定条件时，停止递归。

3. "增量"（Incremental）体现在哪里？

“增量”指的是这种“一步一步来”的处理方式。宏不是一次性匹配所有输入，而是通过递归，增量式地、一步一步地将整个输入序列处理完毕。

4. 为什么需要TT Muncher？

常规的 macro_rules! 提供了重复匹配（$()* 或 $()+）的功能，可以处理简单的重复模式，比如创建一个包含所有给定元素的Vec：

macro_rules! my_vec {
    ( $( $x:expr ),* ) => { // 一次性匹配所有用逗号分隔的表达式
        {
            let mut temp_vec = Vec::new();
            $(
                temp_vec.push($x);
            )*
            temp_vec
        }
    };
}

但是，如果遇到更复杂的逻辑，比如：

• 处理带有多种分隔符或复杂结构的输入。
• 在宏展开时进行计数。
• 为每个输入元素生成一个唯一的标识符。
• 实现类似函数式编程中fold或reduce的操作。

这些情况下，简单的重复匹配就无能为力了。TT Muncher通过其递归和模式匹配的能力，可以实现这种精细的、状态化的处理。

5. 一个简单的例子：实现一个可接收任意数量参数的加法宏

假设我们想创建一个sum!宏，可以这样调用： sum!(1, 2, 3, 4)，然后它展开成 1 + 2 + 3 + 4。

用TT Muncher可以这样实现：

macro_rules! sum {
    // 基本情况：当只剩下一个表达式时，直接返回它
    ( $last:expr ) => {
        $last
    };

    // 递归步骤：匹配开头的第一个表达式和逗号，然后对其余部分进行递归调用
    ( $head:expr, $( $tail:tt )* ) => {
        $head + sum!( $( $tail )* )
    };
}

fn main() {
    let result = sum!(1, 2, 3, 4, 5);
    println!("{}", result); // 打印 15
}

展开过程分析 sum!(1, 2, 3):

1. sum!(1, 2, 3) 匹配 ( $head:expr, $( $tail:tt )* )
   • $head 是 1
   • $tail 是 2, 3
   • 展开为 1 + sum!(2, 3)
2. sum!(2, 3) 再次匹配 ( $head:expr, $( $tail:tt )* )
   • $head 是 2
   • $tail 是 3
   • 展开为 2 + sum!(3)
3. sum!(3) 匹配基本情况 ( $last:expr )
   • 展开为 3

最终，整个宏就展开成了 1 + 2 + 3。

6. 缺点和注意事项

尽管TT Muncher非常强大，但它也有显著的缺点：

• 编译时间：这种递归展开会导致大量的宏展开步骤，显著增加编译时间。它的复杂度通常是二次方级别（O(n²)），因为每次递归，编译器都需要重新扫描剩余的token。
• 递归限制：Rust编译器有宏递归深度的限制（默认为128），如果输入序列太长，可能会导致编译错误 "recursion limit reached"。
• 复杂性：编写和调试TT Muncher宏非常困难，代码难以阅读和维护。

总结

TT Muncher 是Rust宏编程中一种高级但“不择手段”的模式。它通过递归和蚕食 Token Tree的方式，让macro_rules!有能力处理超越其基本重复模式的复杂逻辑。

它就像一把瑞士军刀，功能强大，但使用不当也容易伤到自己（主要体现在编译性能和代码可读性上）。

在实际开发中，除非没有更简单的替代方案，否则应谨慎使用TT Muncher。在许多情况下，程序宏（Procedural Macros）可能是处理复杂代码生成的更好选择。