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rust - 如何扩展递归宏规则中的子模式？

问题描述

我正在编写一个宏来方便地将enum类型变量中的嵌套结构与编译时模板匹配。这个想法是利用 Rust 的模式匹配在结构的某些位置强制执行特定值，或将变量绑定到其他有趣的位置。基本思想在我的实现中有效，但对于嵌套模式却失败了。我认为问题在于，一旦宏输入的一部分被解析，因为$<name>:pat它以后不能被解析为$<name>:tt.

为了避免模棱两可地使用术语模式，我将根据 Rust 文档使用以下符号：

游乐场 MCVE

enum这是我正在使用的类型的简化版本：

#[derive(Debug, Clone)]
enum TaggedValue {
    Str(&'static str),
    Seq(Vec<TaggedValue>),
}

例如，下面的表达式

use TaggedValue::*;
let expression = Seq(vec![
    Str("define"),
    Seq(vec![Str("mul"), Str("x"), Str("y")]),
    Seq(vec![Str("*"), Str("x"), Str("y")]),
]);

可以通过这个宏调用来匹配：

match_template!(
    &expression,                               // dynamic input structure
    { println!("fn {}: {:?}", name, body) },   // action to take after successful match
    [Str("define"), [Str(name), _, _], body]   // template to match against
);

在这里，成功匹配标识符name并body绑定到相应的子元素，expression并作为块中的变量作为第二个参数传递给宏。

这是我编写所述宏的努力：

macro_rules! match_template {
    // match sequence template with one element
    ($exp:expr, $action:block, [$single:pat]) => {
        if let Seq(seq) = $exp {
            match_template!(&seq[0], $action, $single)
        } else {
            panic!("mismatch")
        }
    };

    // match sequence template with more than one element
    ($exp:expr, $action:block, [$first:pat, $($rest:tt)*]) => {
        if let Seq(seq) = $exp {
            // match first pattern in sequence against first element of $expr
            match_template!(&seq[0], {
                // then match remaining patterns against remaining elements of $expr
                match_template!(Seq(seq[1..].into()), $action, [$($rest)*])
            }, $first)
        } else {
            panic!("mismatch")
        }
    };

    // match a non sequence template and perform $action on success
    ($exp:expr, $action:block, $atom:pat) => {
        if let $atom = $exp $action else {panic!("mismatch")}
    };
}

对于非嵌套模板，它按预期工作，对于嵌套模板，我可以手动嵌套宏调用。但是，在单个宏调用中直接指定嵌套模板会失败并出现编译错误。

match_template!(
    &expression,
    {
        match_template!(
            signature,
            { println!("fn {}: {:?}", name, body) },
            [Str(name), _, _]
        )
    },
    [Str("define"), signature, body]
);
// prints:
//   fn mul: Seq([Str("*"), Str("x"), Str("y")])

match_template!(
    &expression,
    { println!("fn {}: {:?}", name, body) },
    [Str("define"), [Str(name), _, _], body]
);
// error[E0529]: expected an array or slice, found `TaggedValue`
//   --> src/main.rs:66:25
//    |
// 66 |         [Str("define"), [Str(name), _, _], body]
//    |                         ^^^^^^^^^^^^^^^^^ pattern cannot match with input type `TaggedValue`

游乐场 MCVE

我怀疑错误是说它[Str(name), _, _]作为单个切片模式匹配，它被第三个宏规则接受，它导致类型不匹配。但是，我希望它是一个标记树，以便第二条规则可以将其分解为一系列模式。

我试图将第二条规则更改为，($exp:expr, $action:block, [$first:tt, $($rest:tt)*]) =>但这只会导致错误发生在外部级别。

需要对宏进行哪些修改才能递归地扩展此类模板？

（我不认为像在递归宏中那样使用令牌咀嚼来解析 Rust 中的匹配臂，因为我明确地想在模式中绑定标识符。）

这就是我期望宏调用扩展到的内容（为简洁起见，忽略不匹配的分支。此外，我通过后缀seq变量来模拟宏卫生）：

// macro invocation
match_template!(
    &expression,
    { println!("fn {}: {:?}", name, body) },
    [Str("define"), [Str(name), _, _], body]
);

// expansion
if let Seq(seq_1) = &expression {
    if let Str("define") = &seq_1[0] {
        if let Seq(seq_1a) = Seq(seq_1[1..].into()) {
            if let Seq(seq_2) = &seq_1a[0] {
                if let Str(name) = &seq_2[0] {
                    if let Seq(seq_2a) = Seq(seq_2[1..].into()) {
                        if let _ = &seq_2a[0] {
                            if let Seq(seq_2b) = Seq(seq_2a[1..].into()) {
                                if let _ = &seq_2b[0] {
                                    if let Seq(seq_1b) = Seq(seq_1a[1..].into()) {
                                        if let body = &seq_1b[0] {
                                            { println!("fn {}: {:?}", name, body) }
                                        }
                                    }
                                }
                            }
                        } 
                    } 
                } 
            } 
        } 
    } 
}

完整的扩展有点冗长，但这个稍微缩短的版本抓住了应该发生的事情的本质：

if let Seq(seq) = &expression {
    if let Str("define") = &seq[0] {
        if let Seq(signature) = &seq[1] {
            if let Str(name) = &signature[0] {
                if let body = &seq[2] {
                    println!("fn {}: {:?}", name, body)
                }
            }
        }
    }
}

最后，这是另一个游乐场链接，显示了递归扩展的各个步骤。它非常密集。

标签： rustrust-macros

解决方案

实际上，问题似乎在于宏匹配逗号分隔的模式列表。因此，在输入[Str("define"), [Str(name), _, _], body]中，宏将内部解释[...]为无法匹配类型表达式的切片模式TaggedValue。

解决方案是将输入扩展为令牌树。但是，这需要一个小技巧，因为单个标记树不能代表所有模式。特别是，该形式的模式Variant(value)由两个标记树组成：Variant和(value)。在调用宏的终端（非递归）规则之前，可以将这两个标记组合回一个模式。

例如，在单元素模板中匹配此类模式的规则如下所示：

($exp:expr, $action:block, [$single_variant:tt $single_value:tt]) =>

这些标记一起传递给宏的另一个调用

match_template!(&seq[0], $action, $single_variant $single_value)

它们被终端规则匹配为单个模式

($exp:expr, $action:block, $atom:pat) =>

最终的宏定义包含两个额外的规则来解释Variant(value)模式：

macro_rules! match_template {
    ($exp:expr, $action:block, [$single:tt]) => {
        if let Seq(seq) = $exp {
            match_template!(&seq[0], $action, $single)
        } else {
            panic!("mismatch")
        }
    };

    ($exp:expr, $action:block, [$single_variant:tt $single_value:tt]) => {
        if let Seq(seq) = $exp {
            match_template!(&seq[0], $action, $single_variant $single_value)
        } else {
            panic!("mismatch")
        }
    };

    ($exp:expr, $action:block, [$first:tt, $($rest:tt)*]) => {
        if let Seq(seq) = $exp {
            match_template!(&seq[0], {
                match_template!(Seq(seq[1..].into()), $action, [$($rest)*])
            }, $first)
        } else {
            panic!("mismatch")
        }
    };

    ($exp:expr, $action:block, [$first_variant:tt $first_value:tt, $($rest:tt)*]) => {
        if let Seq(seq) = $exp {
            match_template!(&seq[0], {
                match_template!(Seq(seq[1..].into()), $action, [$($rest)*])
            }, $first_variant $first_value)
        } else {
            panic!("mismatch")
        }
    };

    ($exp:expr, $action:block, $atom:pat) => {
        if let $atom = $exp $action else {panic!("mismatch")}
    };
}

这是完整示例的链接：playground。

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