12.2 过程宏

Rust 的过程宏是一种更强大、更灵活的元编程工具。与基于模式匹配的 macro_rules! 不同，过程宏以 Rust 函数的形式编写，接收输入的代码（以 token 流表示），经过任意逻辑处理后，返回新的 Rust 代码。它们在编译期运行，并能操作完整的抽象语法树（AST），因此适用于需要复杂分析或生成的场景。

过程宏必须定义在独立的 proc-macro crate 中（Cargo.toml 设置 proc-macro = true），且只能导出宏，不能导出普通函数或类型。

Rust 支持三类过程宏：

派生宏（Derive Macros）

派生宏通过 #[derive(...)] 为结构体、枚举等类型自动实现 trait。标准库中的 #[derive(Debug)]、#[derive(Clone)] 就是典型例子。自定义派生宏允许你为自己的 trait 自动生成实现。

使用形式：

#[derive(MyTrait)]
struct MyStruct;

在过程宏 crate 中，通过 #[proc_macro_derive(MyTrait)] 定义对应函数。

属性宏（Attribute Macros）

属性宏允许你定义新的 类属性（类似 #[test] 或 #[tokio::main]），可应用于函数、结构体、模块等项。它们能完全替换或包装原始项。

使用形式：

#[my_attribute]
fn my_function() {
    // ...
}

定义时使用 #[proc_macro_attribute]，函数接收属性名和被修饰项的 token 流，返回修改后的代码。

例如，#[tokio::main] 实际上是一个属性宏，它将 async fn main() 重写为启动 tokio 运行时的同步函数。

函数式宏（Function-like Macros）

函数式宏在语法上类似函数调用，但由过程宏实现：

my_macro!(arg1, arg2);

与 macro_rules! 宏不同，它能执行任意 Rust 代码来生成输出，支持更复杂的逻辑（如读取文件、解析 DSL 等）。通过 #[proc_macro] 定义。

基本结构示例

以下是一个简单的派生宏骨架（需在独立的 proc-macro crate 中）：

// lib.rs in proc-macro crate
use proc_macro::TokenStream;
use quote::quote;
use syn::{parse_macro_input, DeriveInput};

#[proc_macro_derive(HelloMacro)]
pub fn hello_macro_derive(input: TokenStream) -> TokenStream {
    let input = parse_macro_input!(input as DeriveInput);
    let name = &input.ident;

    let expanded = quote! {
        impl #name {
            pub fn hello_macro() {
                println!("Hello, Macro! My name is {}!", stringify!(#name));
            }
        }
    };

    TokenStream::from(expanded)
}

配合主 crate 使用：

// main.rs
use my_proc_macro::HelloMacro;

#[derive(HelloMacro)]
struct Pancakes;

fn main() {
    Pancakes::hello_macro(); // 输出: Hello, Macro! My name is Pancakes!
}

此例依赖 syn（用于解析 AST）和 quote（用于生成代码），这是编写过程宏的事实标准组合。

优势与代价

• 优势：功能强大，可实现任意代码生成；能访问完整类型结构；错误信息可定制。
• 代价：编译速度略慢；调试较复杂；需额外依赖（如 syn、quote）；必须放在独立 crate。

小结

过程宏将 Rust 的元编程能力提升到新高度，使开发者能构建出高度抽象且零成本的 API。无论是自动实现序列化（如 serde）、生成测试桩，还是嵌入领域特定语言，过程宏都是关键工具。理解其三种形式及基本工作流程，是掌握现代 Rust 高级开发的重要一步。后续章节将进一步展示如何编写实用的派生宏。