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# TeX 宏究竟如何工作：第 3 部分
[第 1 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/19-how-tex-macros-actually-work-part-1.md) [第 2 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/20-how-tex-macros-actually-work-part-2.md) [第 3 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/21-how-tex-macros-actually-work-part-3.md) [第 4 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/22-how-tex-macros-actually-work-part-4.md) [第 5 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/23-how-tex-macros-actually-work-part-5.md) [第 6 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/24-how-tex-macros-actually-work-part-6.md)
## 该暂停一下了！
在继续这个故事的下一部分之前，我们需要先做一个回顾：提醒自己我们要去哪里，并整理一下思路，确保所有关键想法都已就位。提醒一下，我们的讲解示例基于这样一个假设：TeX 已经读入了一行包含 `Hello World \jobname` 并且 TeX 正在将其排版以构成一个段落。
### 最终目标
我们的目标是更好（更深入）地理解 TeX 宏的本质以及它们是如何工作的。不过，要达到这一点，我们首先需要理解 TeX 如何读取输入文件并处理其中的字符。下面是到目前为止所涵盖主题的总结。
* TeX 会读取（扫描）输入中的每个字符，并且对于每个字符，TeX 都有两条信息：
* **字符码**：一个用于标识该字符的整数，例如，当它存储在 .tex 输入文件中时；
* **类别码**：TeX 内部的另一个整数，它用来为从输入中读入的每个字符赋予意义。
* 一旦某个字符被 TeX 读入，该字符的类别码就成为 *永久* 并通过创建字符令牌与那个单独字符关联：
* TeX 使用一个简单公式，将字符码及其对应的类别码“打包”成一个称为字符令牌的整数。
* 你可以改变 TeX 已经 *尚未读入* 的任何字符的含义，只需为你希望改变其行为的字符分配不同的类别码——也就是说，修改 TeX 对该字符的处理方式。
* 重新定义（重新映射）类别码是通过 TeX 的原语 `\catcode` 该命令。
* 当 TeX 看到类别码 0 时，它会切换到一种特殊的扫描模式，并开始查找命令：要么是一个（可能）多字母的 *控制词* 或者一个单字符的 *控制符号*.
到目前为止，我们一直把 TeX 的输入扫描过程看作：它识别单个字符，并使用每个字符的类别码来判断下一步该做什么。有些字符只是排版文本中的普通内容（例如，类别码 11），但我们也见过空格字符（类别码 10）和转义字符（类别码 0）。还有其他类别码，为了简洁起见，我们没有讨论——例如类别码 1（“开始分组”，例如， `{`：类别码 2（“结束分组”，例如， `}`）以及其他。每一种类别码都在 TeX 的输入扫描以及随后由 TeX 内部的软件过程/算法进行的处理里扮演着自己的角色。
### 令牌：快速回顾
“令牌”这一概念是 TeX 工作方式的核心：在与 TeX 相关的书籍、文章和在线社区中，你会经常看到“tokens”被提及或引用，因此值得简要回顾一下这个主题——你可以在之前发表的一篇文章中找到更多细节 [什么是“TeX 记号”？](/latex/zh-cn/shen-du-wen-zhang/53-what-is-a-tex-token.md)
我们已经看到，TeX 会把输入字符转换成令牌：把字符码和类别码合并成一个单一的复合整数。TeX 对命令也会做类似的事情：使用命令的名称计算出一个称为 *命令记号* 的整数（我们将更详细地探讨这一点）。作为一种指引，你可以把令牌看作 TeX 对从输入中读入项目的“打包”方式，让它们准备好进入 TeX 处理的下一阶段。把所有项目（字符或命令）整齐地包装成一个数值表示，会让它们在后续处理链中更容易被处理。例如，当 TeX 想把你的某些输入保存起来以便以后使用时，比如宏定义，TeX 只需要把你的宏定义——无论多复杂——保存为一系列整数，其中每个整数都是一个令牌，代表构成（包含在）你的宏定义中的一个字符或一个命令。
## 那么，接下来呢？
在第 2 部分的最后一节中，我们看到转义字符（类别码 0）如何让 TeX 切换到一种特殊的处理模式，在这种模式下它会查找命令的名称。在我们的示例中，TeX 检测到了字符序列 `jobname` ，并且我们在第 2 部分结束时停在 TeX 即将对该字符序列（命令名）“做点什么”的地方。在本部分中，我们将详细查看 TeX 接下来会做什么。
一旦 TeX 识别出你输入文件中的某个字符序列表示一个命令的名称（这里是， `jobname`）TeX 可能会，取决于它正在做什么，需要执行该命令。我们说“可能需要”是因为有时 TeX 不会立刻尝试执行命令：例如，当它正在定义宏（TeX 正在构建令牌列表）时——这些内容我们稍后会讨论。不过，我们将继续沿着我们的示例，其中 TeX 正在排版一个段落，并且 *将会*，在这种情况下，需要执行 `\jobname`.
### 从字符序列到执行命令：怎么做？
首先，让我们回顾第 2 部分中的图 5b，在那里 TeX 已经识别出输入中的某个特定字符串构成了一个命令名： `jobname`。图 5b 表明 TeX 必须“检查内部表……”。这究竟 *是什么意思*?
关于 TeX 如何“检查内部表”以实现从一串字符（例如， `jobname`）到准确确定命令是什么、以及它意味着什么的更详细说明，可以在之前的一篇文章中找到 [什么是“TeX 记号”？](/latex/zh-cn/shen-du-wen-zhang/53-what-is-a-tex-token.md) 在这里，我们将总结关键思想，同时尽量避免过多重复。
让我们先打个比方。假设你正在读一本书，碰到一个不熟悉的词：你会怎么做？今天，几乎肯定是“去搜 Google”，但我们假设你更喜欢一种老办法：你去查一本列出词条并提供其含义的词典。TeX 有一个类似的机制：一个内部“字典”，列出了 TeX 当前已知的所有命令，以及这些命令的“含义”。这里的“含义”指的是：它是什么类型的命令、它做什么，以及 TeX 运行该命令可能需要的任何其他信息。还要注意，“命令”这一术语也包括用户/TeX 程序员编写的任何 TeX/LaTeX 宏，以及 [数百个内置原语命令](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/46-tex-primitives-listed-by-tex-engine.md).
继续我们的字典类比。当作为人类读者，我们需要查找一个词的含义时，我们会使用字典提供的按字母顺序排列的词表来搜索——但当然，TeX 并不是完全这样工作的。回到我们最初的 `jobname` 示例，TeX 如何在它的“字典”中找到 `jobname`的“含义”——而这个“含义”到底会给 TeX 提供什么？
TeX 并没有为其所知道的所有命令提供一个内部的“按字母顺序排列的列表”，而是采用了稍有不同的方式。TeX 会把命令名中整串字符转换成一个单独的整数，这个整数将用于标识（表示）该命令。在内部，TeX 维护着一个包含所有已知命令的大“字典”，它会把根据命令名计算得到的 *整数* 存入其中——注意，这个字典并不把实际的命令名本身作为字母序列（称为 *字符串*）来存储。TeX 对其所有内置命令（原语）都使用这个字典 *和* 它还会用这个字典来存储用户创建的任何宏（命令）的细节：你的宏名会被转换成一个整数，而这个整数会被“登记”到 TeX 的字典中。
每当 TeX 在你的输入中检测到一个命令，并且需要知道关于该命令的一些信息时，它就会把命令名中的那串字符转换成一个“等价”整数，并用这个整数在它的“大字典”中查找该命令。你们中做程序开发的人可能会想知道，TeX 使用一种 [哈希函数](https://en.wikipedia.org/wiki/Hash_function) 哈希函数
### 图 6：从字符到命令含义
下图展示了一个命令在 TeX 将字符序列转换成一个等价整数时所经历的过程，这个整数被称为 **curcs**，并使用该整数在 TeX 的“庞大字典”中查找该命令的含义。查找结果提供两条信息：两个整数，称为 **curcmd** 和 **curchr**，TeX 可以用它们来确切判断该命令做什么，以及随后如何执行它。
在内部，TeX 维护着一个名为 **curcs** (**cur**rent **c**ontrol **s**curcs（当前控制序列）的变量，它用于存储 TeX 当前正在处理的命令的整数值——也就是， **curcs** 存储由命令名称计算出的整数。事情还不止如此，因为还有一个细节：如果 TeX 刚刚读入/处理的是一个字符，而不是一个命令，它就会把 **curcs** 设为 0，以记住最近读入的是一个字符，而不是一个命令。
### 命令对 TeX 来说意味着什么
如果我们看看 [TeX 引擎提供的内置命令](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/46-tex-primitives-listed-by-tex-engine.md) 就会发现其中有些命令彼此非常相关：它们执行相似的任务；例如，所有 TeX 引擎都使用 4 个原语命令来定义（创建）宏： `\def`, `\gdef`, `\edef`, `\xdef`。
为处理这一点，TeX 会给每个命令分配两个值，而这两个值就是 TeX 所理解的命令“含义”（它的角色/它做什么）——这两个值都在 TeX 内部，深藏于软件之中，属于用户无法访问的“内部机制”。无论是内置原语还是用户定义的命令，TeX 都会为每个命令分配两个值，而这两个值在 TeX 看来定义/分类了它的行为——也就是它对 TeX 的意义。当 TeX 使用它的“大字典”查找一个命令时，它会找到这两个关键的信息：
* **命令码**：一种“总体分类”，表示它属于哪一“类型”的命令——例如，一个“宏定义”命令（其中一个 `\def`, `\gdef`, `\edef`, `\xdef`）；一个“制盒”命令（其中一个 `\hbox`, `\vbox` 或 `\vcenter`）等等，适用于 TeX 引擎支持的数百个命令。宏（用户定义的命令）也会被分配一个命令代码。
* **命令修饰符**：这是附加信息，为 TeX 提供关于某个命令的具体细节。宏（用户定义的命令）也会被分配一个命令修饰符——不过，对于宏而言，命令修饰符所起的作用与它在原语中的作用略有不同（对于宏来说，命令修饰符指示宏定义存储在内存中的位置）。
合起来，命令代码和命令修饰符可以唯一标识每个命令。以下是 Knuth 最初的 TeX 软件中宏定义命令的命令代码和命令修饰符——注意，其他 TeX 引擎可能使用不同的值，但它们遵循完全相同的原理：
| | | |
| ------- | ------------------------------------------------- | -------------------------------------------------- |
| **命令** | 命令
代码
| 命令
修饰符
|
| `\def` | 97 | 0 |
| `\gdef` | 97 | 1 |
| `\edef` | 97 | 2 |
| `\xdef` | 97 | 3 |
### 回顾：理解这些变量/值
到这里，我们已经被大量关于值、变量、命令值以及各种细节淹没了——这很快就会变得令人困惑，所以让我们梳理一下我们知道的内容。当 TeX 从你的输入中读取某个内容时，它要么是一个字符，要么是一个命令。每当 TeX 从输入中读取某个内容时，它都需要存储刚刚读入（扫描到）的信息：
* 对于 **字符**：它需要记录字符码和类别码。它还需要创建并存储 TeX 利用这些值计算出的令牌值。
* 对于 **命令**：TeX 需要知道从命令名计算得到的数值等价物， **curcs**，它计算出的值。它可能还需要存储通过在 TeX 的“字典”中查找该命令而获得的“含义”：命令代码和命令修饰符。此外，TeX 还需要计算一个表示该命令的令牌值。
是的，这有点令人困惑：到处都是变量和令牌概念，所以让我们试着把它理清。
在内部，TeX 使用四个全局变量来存储 TeX 最近读入的（或当前正在“处理”的）项目的信息——我们不会详细讨论这些变量，但了解它们的存在有助于提供更多背景，以理解真正发生了什么：
* **curcmd**：（当前命令）一个整数变量。它用于存储 *当前命令* 值，即正在处理的命令的值 *或* 它存储当前 *类别码* 被处理字符的值；
* **curchr**：（当前字符）一个整数变量，但它存储的内容取决于 TeX 刚刚从输入中读入的是什么：
* **@**：如果最近读入的项目是一个字符， **curchr** 存储当前 *字符码*.
* **命令**：如果最近读入的项目是一个命令， **curchr** 存储 *命令修饰符*：TeX 用于支持/说明的附加信息 **curcmd**——因为，如上所示，某些命令共享相同的 **curcmd**
* **curcs**：（当前控制序列）一个整数变量，用于存储由命令名中的字符序列计算得到的值。 **curcs** = 0，如果最近读入的项目是一个单独字符，而不是控制序列（命令名）的名称；
* **curtok**：（当前令牌）一个整数变量，保存当前令牌的值——它要么是命令令牌，要么是字符令牌。
上面的信息以表格形式显示如下：
| | | |
| ------------------ | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | --------------------------------------------------------------------------------- |
| **TeX 内部使用的全局变量：** | **当 TeX 扫描字符时：** | **当 TeX 扫描命令时：** |
| **curcmd** | 存储当前字符的类别码 | 存储 *命令码*——它标识当前命令的“类型” |
| **curchr** | 存储当前字符的字符码 | 存储附加数据（称为 *命令修饰符*），它为当前命令提供附加信息 |
| **curcs** | 0 | 这是一个非零的正整数，它是使用命令名中出现的字符序列通过（哈希函数）计算得出的。它用于访问 TeX 的“字典”来查找命令当前的含义——检索其命令代码和命令修饰符。 |
| **curtok** | 对于 8 位 TeX 引擎，一个 *字符记号* 是通过以下公式计算的： $$\text{curtok}=256\times \text{curcmd} + \text{curchr}$$ 其中 $$\text{curcmd}$$ 是字符的类别码，而 $$\text{curchr}$$ 是字符码 | 对于 8 位 TeX 引擎，一个 *命令记号* 是通过以下公式计算的： $$\text{curtok}=4095 + \text{curcs}$$ |
### 关于当前令牌的进一步说明
对于字符，可能的最大令牌值是使用最大的类别码（15）和最大的字符码得到的，而对于 8 位 TeX 引擎，最大的字符码是 255。理论上（对于 8 位 TeX 引擎），最大字符令牌值 $$\text{curtok}\_{\text{max}}$$，为：
$$\text{curtok}\_{\text{max}}= 256\times 15 + 255 = 4095$$
我们说“理论上”是因为类别码 15 用来表示“无效字符”，而无效字符会导致 TeX 报错：无效字符永远无法通过 TeX 的输入扫描过程，因此也永远不会成为字符令牌。
对于命令，当前令牌（$$\text{curtok}$$）是根据 $$\text{curtok}=4095 + \text{curcs}$$ 但对于命令 $$\text{curcs}$$ 是 *总是* 非零，因此 TeX 可以很容易地判断一个令牌代表什么：
* 如果 $$\text{curtok} > 4095$$ 那么它就是一个命令令牌；
* 如果 $$\text{curtok} < 4095$$ 它就是一个字符令牌。
实际上，TeX 使用令牌这一简单的整数值来“打包”它需要从输入中读入的一个项目的全部信息。
## 第 4 部分
在第 4 部分中，我们将探讨一系列示例宏，以演示宏的 `<参数文本>` 部分充当一个“令牌模板”，可以通过使用分隔符令牌来构造。
[第 1 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/19-how-tex-macros-actually-work-part-1.md) [第 2 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/20-how-tex-macros-actually-work-part-2.md) [第 3 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/21-how-tex-macros-actually-work-part-3.md) [第 4 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/22-how-tex-macros-actually-work-part-4.md) [第 5 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/23-how-tex-macros-actually-work-part-5.md) [第 6 部分](/latex/zh-cn/geng-duo-zhu-ti/24-how-tex-macros-actually-work-part-6.md)
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