Julia 元编程（Metaprogramming）完全指南（中文 + 实战）

“代码即数据，数据即代码” —— Julia 的元编程是其最强大、最优雅的特性之一

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一、什么是元编程？

元编程 = 编写生成/修改代码的代码

Julia 中，表达式（Expression）是第一类对象，可以在运行时构建、分析、执行代码。

ex = :(1 + 2 * 3)      # 表达式对象
eval(ex)               # → 7

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二、核心概念

概念	说明	示例
Expr	表达式树	:(a + b)
Symbol	符号	:x
Quote	引用代码	quote ... end 或 :(...)
eval	执行表达式	eval(:(1+1))
Macro	编译时代码生成	@macro
Generated Function	运行时类型推断代码生成	@generated

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三、表达式（Expr）详解

ex = :(1 + 2 * x)

ex.head   # :call
ex.args   # Any[+, 1, :(2 * x)]
ex.typ    # Any

常见 head

head	含义
:call	函数调用
:if	if 语句
:block	代码块
:(=)	赋值
:for	for 循环

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四、构造表达式

# 手动构造
ex = Expr(:call, :+, 1, 2)
eval(ex)  # 3

# 插值（推荐）
a, b = 10, 20
ex = :($a + $b)
eval(ex)  # 30

# 嵌套
ex = :(function f(x)
           return x^2
       end)

插值规则：

• $x → 插入变量值
• $(expr) → 插入表达式结果
• 必须在 quote 或 :(...) 中使用

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五、eval vs 宏

特性	eval	宏 @m
执行时机	运行时	编译时
性能	慢（解释执行）	快（内联）
作用域	全局	当前模块
调试	难	可用 @macroexpand

# 运行时
x = 10
eval(:(x + 1))  # 11

# 编译时（宏）
macro add_one(ex)
    :($ex + 1)
end

@add_one x  # → 11（在编译时展开）

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六、宏（Macro）—— 元编程核心

1. 定义宏

macro timer(expr)
    quote
        t0 = time()
        result = $(esc(expr))
        t1 = time()
        println("Elapsed: $(t1 - t0) s")
        result
    end
end

2. 使用宏

@timer sleep(1)   # 打印耗时并返回 nothing
@timer sum(1:1000000)

3. 卫生宏（Hygienic Macros）

macro myfor(var, range, body)
    quote
        for $(esc(var)) in $(esc(range))
            $(esc(body))
        end
    end
end

@myfor i in 1:5 println(i^2)

esc() 防止变量捕获

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七、@macroexpand 调试神器

@macroexpand @timer sleep(1)

输出：

quote
    #= none:2 =#
    t0 = time()
    #= none:3 =#
    result = sleep(1)
    #= none:4 =#
    t1 = time()
    #= none:5 =#
    println("Elapsed: ", t1 - t0, " s")
    #= none:6 =#
    result
end

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八、生成函数 @generated —— 类型推断神器

@generated function square_matrix(::Val{N}) where N
    M = zeros(Int, N, N)
    for i in 1:N
        M[i,i] = i^2
    end
    return M
end

square_matrix(Val(3))
# 3×3 Matrix{Int64}:
#  1  0  0
#  0  4  0
#  0  0  9

特点：

• 只执行一次（基于类型）
• 返回 Expr 或值
• 可访问参数类型

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九、常见实用宏

1. @assert

@assert x > 0 "x 必须为正数"

2. @time / @elapsed

@time sum(rand(1_000_000))

3. @inbounds 跳过边界检查

@inbounds arr[i] = x

4. @threads 并行循环

using Base.Threads
@threads for i in 1:100
    println(i)
end

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十、自定义 DSL（领域特定语言）

macro sql(query)
    # 解析 SQL 字符串，生成 Julia 数据库查询代码
    :(execute_query($(esc(query))))
end

@sql "SELECT * FROM users WHERE age > 18"

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十一、表达式遍历与转换

function replace_plus(ex, old, new)
    if ex isa Expr && ex.head == :call && ex.args[1] == :+
        ex.args[1] = old == :+ ? new : ex.args[1]
    end
    for i in 2:length(ex.args)
        ex.args[i] = replace_plus(ex.args[i], old, new)
    end
    return ex
end

ex = :(1 + 2 + 3 * (4 + 5))
replace_plus(ex, :+, :*) |> eval  # 1 * 2 * 3 * (4 * 5)

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十二、综合示例：自动微分（前向模式）

# Dual 数
struct Dual{T}
    v::T     # 值
    d::T     # 导数
end

# 重载运算
import Base: +, *, sin, cos, exp

+(a::Dual, b::Dual) = Dual(a.v + b.v, a.d + b.d)
*(a::Dual, b::Dual) = Dual(a.v * b.v, a.v*b.d + a.d*b.v)
sin(a::Dual) = Dual(sin(a.v), cos(a.v)*a.d)
# ... 其他函数

# 变量构造
var(x, i) = Dual(x, one(x)*(i==1))

# 自动求导宏
macro grad(expr, x)
    :(let
        $x = var($x, 1)
        f = $expr
        f.d
    end)
end

# 使用
x = 2.0
@grad sin(x) + x^2 x   # cos(2) + 4 = 3.416...

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十三、综合示例：@with 宏（临时变量绑定）

macro with(bindings, body)
    vars = [b.args[1] for b in bindings.args if b isa Expr && b.head == :(=)]
    vals = [b.args[2] for b in bindings.args]
    quote
        $(map((v,val) -> :($(esc(v)) = $(esc(val))), vars, vals)...)
        $(esc(body))
    end
end

@with a=1 b=2 c=a+b begin
    println("c = $c")  # c = 3
end

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十四、元编程速查表

语法	用途
:(expr)	创建表达式
$x	插值变量
$(expr)	插值表达式
eval(ex)	执行表达式
macro name(...) ... end	定义宏
@name	调用宏
@macroexpand @name	查看展开
esc(x)	卫生逃逸
@generated	生成函数
Expr(:call, f, args...)	构造调用

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十五、小练习（立即上手）

1. 实现 @print_expr 宏，打印表达式并求值
2. 写 @lazy 宏，将表达式延迟求值
3. 实现 @pipeline 宏，支持 x |> f |> g 写法
4. 写 @auto_getter struct 自动生成 getter
5. 实现简单 @sql DSL

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答案示例

# 1. @print_expr
macro print_expr(ex)
    quote
        println($(string(ex)), " = ", $(esc(ex)))
    end
end

x = 10
@print_expr x + 5  # x + 5 = 15

# 2. @lazy
macro lazy(ex)
    :(()->$(esc(ex)))
end

f = @lazy 1 + 2 * 3
f()  # 7

# 3. @pipeline
macro pipeline(expr)
    parts = expr.args
    result = parts[1]
    for i in 2:length(parts)
        result = :($(parts[i])($result))
    end
    esc(result)
end

@pipeline 5 |> x -> x^2 |> sqrt  # 5.0

# 4. @auto_getter
macro auto_getter(T)
    fields = [f.args[1] for f in T.args[3].args if f isa Expr && f.head == :(::)]
    getters = [:(($f)(obj::$T) = obj.$f) for f in fields]
    quote
        struct $(esc(T.head)) $(esc.(T.args[2:end])...)
            $(esc.(T.args[3].args)...)
        end
        $(getters...)
    end
end

@auto_getter struct Point
    x::Float64
    y::Float64
end

p = Point(3,4)
p.x  # 3.0

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十六、性能与最佳实践

建议	说明
宏只做代码生成	避免运行时逻辑
最小化 eval 使用	影响性能
使用 esc 防止捕获	卫生宏
@generated 用于类型依赖	静态展开
@macroexpand 调试	必备工具

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恭喜！你已精通 Julia 元编程！

现在你可以：

• 构建 DSL（如 SQL、LaTeX）
• 实现 自动微分、JIT 编译
• 写出 优雅的代码生成器
• 深入理解 Julia 编译器

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