元编程简介

本课程将教你如何编写“能生成代码的代码”——即使用宏（macros）。
Elixir 的 宏 支持元编程，让你轻松编写功能强大的程序。

世界就是你的游乐场

在 Elixir 中，元编程的核心在于可扩展性。你是否曾希望自己的编程语言能加入某个特别实用的功能？如果幸运的话，可能要等上好几年才能实现；很多时候，这个功能根本不会被采纳。但在 Elixir 中，我们可以随时引入新的第一类特性。

让我们以常见的 while 循环为例，它在大多数语言中都很常见，但 Elixir 中没有。我们可以设想这样写一个：

1while Process.alive?(pid) do 
2  send pid, {self, :ping} 
3  receive do
4    {^pid, :pong} -> IO.puts "Got pong" 
5  after 2000 -> break
6  end
7end

在本课程中，我们将让这个 while 循环真正可用。不仅如此，我们还能利用 Elixir 语言构建全新的领域特定语言（DSL），用自然的语法表达各种问题。下面是一个合法的 Elixir 程序示例：

1div do
2  h1 class: "title" do
3    text "Hello" end
4  p do
5    text "Metaprogramming Elixir"
6  end 
7end
8# 输出：
9# <div><h1 class="title">Hello</h1><p>Metaprogramming Elixir</p></div>

Elixir 让像 HTML 领域特定语言 (DSL) 这样的应用成为可能，而我们也会在本课程中亲手实现它。

关于这些机制如何工作，我们将在后续内容中深入讲解。现在，请记住：宏 是这一切实现的关键。Elixir 将这一理念推向了前所未有的高度。

两个核心概念

让我们快速回顾 Elixir 元编程中的两个核心概念，并理解它们如何协同工作。

1. 抽象语法树（AST）
2. 宏（Macros）

抽象语法树

要掌握元编程，首先要理解 Elixir 代码在内部是如何通过 抽象语法树（AST）表示的。大多数我们熟悉的编程语言都有 AST，但通常我们并不察觉它的存在。

当程序被编译或解释时，源代码会先被转换为树状结构，再转化为字节码或机器码。这一过程通常是隐藏的，我们很少去思考它。

然而，Elixir 创始人 José Valim 做了一件非常不同的事：他将 AST 以 Elixir 自身的数据结构形式暴露出来，并提供了自然的语法来与之交互。

这种让普通 Elixir 代码直接访问 AST 的设计，使我们能够执行原本只有编译器和语言设计师才能完成的强大操作。在整个元编程过程中，我们始终与 Elixir 的 AST 打交道。接下来，就让我们深入了解它的本质。

我们可以看到，1 + 2 和 div 的 AST 表示在 Elixir 中表现为简单的数据结构。请花点时间体会这一点：我们能够将自己编写的任何代码，以 Elixir 数据结构的形式进行访问。

对表达式进行“引用”（quote）赋予了语言一项独特的能力：能够在我们已熟悉的数据结构中，窥探代码的内部表示。

这让我们可以在不脱离 Elixir 高层语法的前提下，推断语义、优化性能或扩展功能。

拥有完整的 AST 访问权限，我们甚至可以在编译阶段实现一些精巧的操作。例如，Elixir 标准库中的 Logger 模块可以完全移除某些表达式，从而实现优化。

假设我们在写文件时，希望在开发环境中打印文件路径，但在生产环境中忽略该日志。我们可以这样写：

1def write(path, contents) do
2  Logger.debug "Writing contents to file #{path}" 
3  File.write!(path, contents)
4end

在生产环境中，Logger.debug 的表达式会被完全从程序中移除。这是因为我们在编译阶段可以与 AST 交互，跳过这些仅用于开发的调用。

大多数语言必须在运行时调用调试函数，并浪费 CPU 时间去检查是否应忽略日志级别，因为它们的源代码无法与底层的 AST 进行交互。

而 Logger.debug 能够实现这种优化，这引出了元编程过程中的下一个关键要素：宏。

宏

宏是“能生成代码的代码”。它们的目的在于使用 Elixir 的高层语法与 AST 交互。这正是 Logger.debug 能够实现优化技巧的原因，同时又看起来像普通的 Elixir 代码。

宏被广泛应用于构建 Elixir 标准库，也作为 Web 框架的核心基础设施。无论哪种场景，都遵循相同的元编程规则。

我们不必在复杂高性能代码与优雅低效 API 之间做选择。Elixir 的宏让我们既能写出简洁的代码，又能获得高性能。它们让程序员从语言使用者转变为语言创造者。我们不再只是语言的用户，而是拥有了与 Elixir 创造者编写标准库时同等的工具和力量。

也许你会觉得，自己到目前为止几乎没用过宏，但实际上，它们一直就在我们身边。

看看这段看似普通的代码：

1defmodule Notifier do
2  def ping(pid) do
3    if Process.alive?(pid) do 
4      Logger.debug "Sending ping!" 
5      send pid, :ping
6    end 
7  end
8end

它看起来平平无奇，但其实我们正面对着四个宏：defmodule、def、if，甚至 Logger.debug 都是通过宏实现的——正如 Elixir 大多数顶层构造一样。

在 iex 中查阅文档，可以看到 if 宏的定义。该宏的第一个参数是条件，其余为关键字参数。

1iex> h if
2        defmacro if(condition, clauses)

你可能会疑惑：为什么 Elixir 要用宏来实现自身的构造？毕竟大多数语言没有这种结构也能正常运行。最大的优势在于：宏允许我们用现有的宏作为基石，扩展出自己的关键字。

理解 Elixir 元编程的最佳方式，是摒弃对固定关键字和封闭语言内部机制的刻板印象。Elixir 从设计之初就考虑到了可扩展性。语言向我们开放，欢迎探索与自定义功能。这正是 Elixir 元编程如此自然流畅的原因所在。