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= Lean4宏系统 =

== 介绍 ==
'''Lean4宏系统'''是Lean4编程语言中用于元编程的核心工具，它允许开发者在编译时生成和转换代码。宏系统通过语法扩展和代码生成机制，使得开发者能够创建领域特定语言(DSL)、优化代码结构或实现高级抽象模式。与运行时反射不同，宏在编译阶段执行，因此不会带来运行时开销。

Lean4的宏系统基于'''策略宏(Tactic Macros)'''和'''语法宏(Syntax Macros)'''两类：
* '''语法宏'''：直接操作抽象语法树(AST)
* '''策略宏'''：扩展Lean的交互式证明环境

== 基础概念 ==

=== 宏的阶段 ===
Lean4宏在'''编译时'''分阶段执行：
<mermaid>
graph LR
    A[解析阶段] --> B[宏展开阶段] --> C[类型检查阶段]
</mermaid>

=== 宏的组成元素 ===
一个宏定义包含三个关键部分：
<math>
\text{Macro} = \text{语法模式} + \text{转换函数} + \text{文档说明}
</math>

== 语法宏示例 ==
以下是一个简单的语法宏示例，它实现了Python风格的列表推导式：

<syntaxhighlight lang="lean">
-- 定义列表推导式宏
syntax "[|" term "for" ident "in" term "]" : term

macro_rules
  | `([| $x for $y in $xs ]) => `(List.map (fun $y => $x) $xs)

-- 使用示例
#eval [| x * x for x in [1, 2, 3] ]  -- 输出: [1, 4, 9]
</syntaxhighlight>

'''代码解析'''：
1. `syntax` 定义了新的语法模式 `[| ... ]`
2. `macro_rules` 指定了转换规则
3. 宏展开会将推导式转换为 `List.map` 调用

== 高级宏特性 ==

=== 卫生宏(Hygienic Macros) ===
Lean4宏系统自动处理变量捕获问题，保证宏展开不会意外污染变量命名空间：

<syntaxhighlight lang="lean">
-- 卫生宏示例
syntax "letTwice" ident ":=" term "in" term : term

macro_rules
  | `(letTwice $x := $val in $body) => `(let $x := $val; let $x := $val; $body)

-- 使用时会自动生成唯一变量名
letTwice x := 5 in x + x  -- 展开为 let x := 5; let x' := 5; x' + x'
</syntaxhighlight>

=== 递归宏 ===
宏可以递归调用自身实现复杂转换：

<syntaxhighlight lang="lean">
-- 定义repeat宏
syntax "repeat" num "times" term : term

macro_rules
  | `(repeat 1 times $x) => x
  | `(repeat $n times $x) => `(let rest := repeat $(Lean.quote (n.getNat - 1)) times $x; $x; rest)

-- 使用示例
repeat 3 times (IO.println "Hello")  -- 打印3次Hello
</syntaxhighlight>

== 策略宏示例 ==
策略宏扩展了Lean的交互式证明能力：

<syntaxhighlight lang="lean">
-- 定义自动化策略
macro "auto_trivial" : tactic => `(tactic| apply And.intro <;> trivial)

-- 使用示例
example : True ∧ True := by
  auto_trivial  -- 自动完成证明
</syntaxhighlight>

== 实际应用案例 ==

=== 领域特定语言(DSL)实现 ===
以下是一个配置解析DSL的实现片段：

<syntaxhighlight lang="lean">
-- 定义配置DSL语法
syntax "config" "{"
  ("let" ident ":=" term ";")*
"}" : term

macro_rules
  | `(config { $[let $x := $val;]* }) => do
    let mut stx ← `({})
    for x, val in x.val, val.val do
      stx ← `($stx |> Config.add $(quote x.getId.toString) $val)
    return stx

-- 使用DSL
def myConfig := config {
  let timeout := 100;
  let retries := 3;
}
</syntaxhighlight>

=== 性能优化宏 ===
创建专门针对数组操作的优化宏：

<syntaxhighlight lang="lean">
syntax "fastFor" ident "in" term "do" term : term

macro_rules
  | `(fastFor $x in $arr do $body) => `(
    let len := Array.size $arr;
    let mut i := 0;
    while i < len do
      let $x := Array.get! $arr i;
      $body;
      i := i + 1
  )
</syntaxhighlight>

== 宏调试技巧 ==
Lean4提供了宏调试工具：

<syntaxhighlight lang="lean">
-- 查看宏展开结果
set_option trace.Meta.debug true

-- 打印抽象语法树
#check `(1 + 2)  -- 输出: Lean.Expr
</syntaxhighlight>

== 最佳实践 ==
1. 保持宏定义小而专注
2. 为复杂宏编写详细的文档注释
3. 优先使用卫生宏避免命名冲突
4. 利用递归宏处理重复模式
5. 为DSL提供类型安全的接口

== 限制与注意事项 ==
* 宏展开不能依赖运行时信息
* 过度使用宏会降低代码可读性
* 复杂的宏可能增加编译时间
* 某些情况下需要显式控制变量卫生

== 进阶主题 ==
* 反引号语法(Quotation)与语法拼接
* 自定义语法类别扩展
* 宏与类型检查器的交互
* 预处理和后处理钩子
* 宏的元数据注解

通过Lean4强大的宏系统，开发者可以创建高度定制的编程抽象，同时保持核心语言的简洁性和类型安全性。

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