1. メタプログラミングとは
メタプログラミングとは、「プログラムを操作するプログラム」を書くことである。Level 2 で学んだ通り、Lispではコードとデータが同じ構造（S式） で表現される。この性質を活かし、プログラムで新しいプログラムを生成できる。
1-1. なぜメタプログラミングが可能か
Lispの同像性（homoiconicity） により、以下が成り立つ。
- コードはリスト（S式）である
- リストはデータとして操作できる
- したがって、コードをデータとして操作できる
;; これはコード
(+ 1 2 3) ; → 6
;; これはデータ（リスト）
'(+ 1 2 3) ; → (+ 1 2 3)
;; データをコードとして実行
(eval '(+ 1 2 3)) ; → 6
2. eval ― 動的評価
2-1. eval の基本
eval は、S式を受け取り、それを評価して結果を返す関数である。
(eval 42) ; → 42（自己評価）
(eval "hello") ; → "hello"（自己評価）
(eval '(+ 1 2)) ; → 3（リストを評価）
(eval '(list 1 2)) ; → (1 2)
2-2. eval による動的コード実行
;; コードを動的に組み立てて実行
(defparameter *op* '+)
(defparameter *args* '(1 2 3 4 5))
(eval (cons *op* *args*))
;; (cons '+ '(1 2 3 4 5)) → (+ 1 2 3 4 5)
;; (eval '(+ 1 2 3 4 5)) → 15
2-3. eval の注意点
eval は強力だが、以下の理由から使用は最小限にすべきである：
- パフォーマンス - 実行時にコンパイル/解釈が必要
- セキュリティ - 任意のコードが実行される危険
- デバッグ困難 - 動的生成コードは追跡しにくい
;; 悪い例：ユーザー入力を直接 eval
(eval (read)) ; 危険！任意のコードが実行される
;; 良い例：限定された操作のみ許可
(defun safe-calc (op a b)
(case op
(+ (+ a b))
(- (- a b))
(* (* a b))
(/ (/ a b))
(otherwise (error "Unknown operator"))))
原則： eval が必要と思ったら、まずマクロで解決できないか検討せよ。
3. マクロの基礎
3-1. 関数とマクロの違い
関数とマクロは見た目が似ているが、動作タイミングが根本的に異なる。
| 特性 | 関数 | マクロ |
|---|---|---|
| 実行時期 | 実行時 | コンパイル時/マクロ展開時 |
| 引数の扱い | 評価された値を受け取る | 評価前の式を受け取る |
| 戻り値 | 計算結果 | 新しいコード（S式） |
| 用途 | 値の計算 | 構文の拡張 |
3-2. defmacro による定義
(defmacro マクロ名 (引数...)
本体)
簡単な例
;; nil かどうかを判定するマクロ
(defmacro nil? (x)
`(null ,x))
;; 使用
(nil? '()) ; → T
(nil? 42) ; → NIL
;; 展開結果を確認
(macroexpand-1 '(nil? foo))
;; → (NULL FOO)
3-3. macroexpand による展開確認
マクロがどのようなコードに展開されるかを確認するには、macroexpand-1 または macroexpand を使用する。
;; macroexpand-1: 1段階だけ展開
(macroexpand-1 '(nil? x))
;; → (NULL X)
;; macroexpand: 完全に展開（マクロがなくなるまで）
(macroexpand '(nil? x))
;; → (NULL X)
4. 実用的なマクロの例
この章では、簡単なマクロから段階的に学んでいく。
4-1. 最初のマクロ：say-hello
まずは最も簡単なマクロを作ってみよう。
;; 定義
(defmacro say-hello ()
'(print "Hello!"))
;; 使用
(say-hello)
;; → "Hello!"
このマクロは引数を取らず、常に (print "Hello!") というコードに置き換わる。
展開を確認してみよう
(macroexpand-1 '(say-hello))
;; → (PRINT "Hello!")
4-2. 引数を取るマクロ：say
次に、引数を取るマクロを作ってみよう。
;; 定義
(defmacro say (message)
`(print ,message))
;; 使用
(say "Good morning!")
;; → "Good morning!"
(say "Good night!")
;; → "Good night!"
ポイント
- バッククォート
`でテンプレートを作る -
,messageで引数の値を埋め込む
展開を確認：
(macroexpand-1 '(say "Good morning!"))
;; → (PRINT "Good morning!")
4-3. 複数の処理をまとめる：twice
同じ処理を2回実行するマクロを作ってみよう。
;; 定義
(defmacro twice (action)
`(progn
,action
,action))
;; 使用
(twice (print "Hello"))
;; → "Hello"
;; → "Hello"
progn とは
progn は複数の式を順番に実行し、最後の式の値を返す。
(progn
(print "1番目")
(print "2番目")
(print "3番目"))
;; → "1番目" "2番目" "3番目" が順に表示
;; → 戻り値は "3番目"
展開を確認
(macroexpand-1 '(twice (print "Hello")))
;; → (PROGN (PRINT "Hello") (PRINT "Hello"))
4-4. 条件付き実行：my-when
「条件が真のときだけ実行する」マクロを作ろう。
まず、if の復習
(if 条件
真のときの処理
偽のときの処理)
;; 例
(if (> 5 3)
(print "大きい")
(print "小さい"))
;; → "大きい"
問題：if では真のとき1つの式しか書けない
;; これはエラー！
(if (> 5 3)
(print "5は")
(print "3より大きい") ; ← これは偽のときの処理になってしまう
nil)
解決策1：progn を使う
(if (> 5 3)
(progn
(print "5は")
(print "3より大きい"))
nil)
解決策2：when マクロを作る
毎回 progn を書くのは面倒なので、マクロで自動化しよう。
;; 定義
(defmacro my-when (condition &body body)
`(if ,condition
(progn ,@body)
nil))
&bodyの説明
| 記法 | 意味 |
|---|---|
&body body |
残りの引数をすべてリストとして受け取る |
,@body |
リストの中身を展開して埋め込む |
使用例
(my-when (> 5 3)
(print "5は")
(print "3より大きい"))
;; → "5は"
;; → "3より大きい"
展開を確認：
(macroexpand-1 '(my-when (> 5 3)
(print "5は")
(print "3より大きい")))
;; → (IF (> 5 3)
;; (PROGN (PRINT "5は") (PRINT "3より大きい"))
;; NIL)
4-5. 条件が偽のとき実行：my-unless
when の逆、「条件が偽のときだけ実行する」マクロを作ろう。
;; 定義
(defmacro my-unless (condition &body body)
`(if (not ,condition)
(progn ,@body)
nil))
;; 使用例
(my-unless (< 5 3)
(print "5は3より小さくない"))
;; → "5は3より小さくない"
展開を確認：
(macroexpand-1 '(my-unless (< 5 3) (print "実行される")))
;; → (IF (NOT (< 5 3))
;; (PROGN (PRINT "実行される"))
;; NIL)
4-6. &body と ,@ の理解を深める
ここが重要なので、もう少し詳しく見てみよう。
&body なしの場合：
(defmacro bad-when (condition body)
`(if ,condition ,body nil))
;; 1つの式しか渡せない
(bad-when (> 5 3) (print "OK")) ; → OK
;; 複数の式を渡したい場合は自分で progn を書く必要がある
(bad-when (> 5 3) (progn (print "A") (print "B")))
&body ありの場合：
(defmacro good-when (condition &body body)
`(if ,condition (progn ,@body) nil))
;; 複数の式をそのまま書ける
(good-when (> 5 3)
(print "A")
(print "B")
(print "C"))
,@ の動作
;; body = ((print "A") (print "B") (print "C")) のとき
;; ,body を使うと（リストがそのまま入る）
`(progn ,body)
;; → (PROGN ((PRINT "A") (PRINT "B") (PRINT "C")))
;; これは間違い！
;; ,@body を使うと（リストの中身が展開される）
`(progn ,@body)
;; → (PROGN (PRINT "A") (PRINT "B") (PRINT "C"))
;; これが正しい！
4-7. 実用例：計算結果を表示するマクロ
学んだことを使って、便利なマクロを作ってみよう。
;; 式とその結果を表示するマクロ
(defmacro show (expr)
`(format t "~a => ~a~%" ',expr ,expr))
;; 使用例
(show (+ 1 2 3))
;; 表示: (+ 1 2 3) => 6
(show (* 4 5))
;; 表示: (* 4 5) => 20
ポイント
-
',exprは式そのもの（評価しない） -
,exprは式の評価結果
展開を確認
(macroexpand-1 '(show (+ 1 2)))
;; → (FORMAT T "~a => ~a~%" '(+ 1 2) (+ 1 2))
;; ↑評価しない ↑評価する
4-8. まとめ：マクロ作成の基本パターン
(defmacro マクロ名 (引数... &body body)
`(生成したいコード
,単一の値を埋め込む
,@リストの中身を展開))
| パーツ | 役割 |
|---|---|
` |
テンプレート開始 |
,x |
x の値を埋め込む |
,@xs |
xs の中身を展開 |
&body body |
残り全部をリストで受け取る |
progn |
複数の式を順番に実行 |
5. マクロ作成の注意点
マクロは強力だが、注意しないとバグを生みやすい。ここでは2つの典型的な問題と解決法を学ぶ。
5-1. 問題その1：多重評価
まず、2倍にするマクロを作ってみよう
;; 定義
(defmacro bad-double (x)
`(+ ,x ,x))
;; テスト
(bad-double 5)
;; → 10（正しい）
(bad-double (+ 1 2))
;; → 6（正しい）
一見問題なさそうに見える。
問題が発生するケース：
(progn
(defmacro bad-double (x)
`(+ ,x ,x))
(let ((n 0))
(bad-double (incf n))))
;; → 3
展開して原因を調べる：
(macroexpand-1 '(bad-double (incf n)))
;; → (+ (INCF N) (INCF N))
(incf n) が2回現れている！
解決策：引数を一度だけ評価する
;; 定義（安全版）
(defmacro good-double (x)
`(let ((temp ,x))
(+ temp temp)))
;; 展開を確認
(macroexpand-1 '(good-double (incf n)))
;; → (LET ((TEMP (INCF N)))
;; (+ TEMP TEMP))
これなら (incf n) は1回しか評価されない。
;; テスト
(progn
(defmacro good-double (x)
`(let ((temp ,x))
(+ temp temp)))
(let ((n 0))
(good-double (incf n))))
;; → 2（正しい！）
;; n=0→1、temp=1、1+1=2
5-2. 問題その2：変数の衝突
問題が発生するケース
;; 10を足すマクロ（問題あり）
(defmacro bad-add-10 (x)
`(let ((value 10))
(+ ,x value)))
;; テスト（普通の使い方）
(bad-add-10 5)
;; → 15（正しい）
;; ユーザーが value という変数を使うと...
(let ((value 3))
(bad-add-10 value))
;; 期待: 3 + 10 = 13
;; 実際: ???
展開して確認：
(macroexpand-1 '(bad-add-10 value))
;; → (LET ((VALUE 10))
;; (+ VALUE VALUE))
;; つまり全体では：
(let ((value 3))
(let ((value 10)) ; 内側の value が外側を隠す！
(+ value value))) ; value は 10 を参照
;; → 20（期待は13なのに！）
5-3. 解決策：gensym
gensym は「絶対に他と衝突しない名前」を作る関数である。
(gensym) ; → #:G123
(gensym) ; → #:G124（呼ぶたびに違う）
(gensym "TEMP") ; → #:TEMP125（接頭辞付き）
#: で始まるシンボルは、他のどのシンボルとも等しくならない。
gensym を使った安全なマクロ：
;; 定義（安全版）
(defmacro safe-double (x)
(let ((temp (gensym "TEMP"))) ; マクロ展開時に一意な名前を生成
`(let ((,temp ,x))
(+ ,temp ,temp))))
;; 展開を確認
(macroexpand-1 '(safe-double (+ 1 2)))
;; → (LET ((#:TEMP126 (+ 1 2)))
;; (+ #:TEMP126 #:TEMP126))
ユーザーがどんな変数名を使っても衝突しない。
;; テスト
(let ((temp 100))
(safe-double temp))
;; → 200（正しい！temp=100、100+100=200）
(let ((n 0))
(safe-double (incf n)))
;; → 2（正しい！多重評価も防げている）
safe-add-10 も修正：
;; 定義（安全版）
(defmacro safe-add-10 (x)
(let ((val (gensym "VAL")))
`(let ((,val 10))
(+ ,x ,val))))
;; テスト
(let ((value 3))
(safe-add-10 value))
;; → 13（正しい！）
展開を確認：
(macroexpand-1 '(safe-add-10 value))
;; → (LET ((#:VAL127 10))
;; (+ VALUE #:VAL127))
;; VALUE は外側の変数を参照する
5-4. マクロ作成のチェックリスト
マクロを書いたら、以下を確認しよう：
| チェック項目 | 問題 | 対策 |
|---|---|---|
| 引数が複数回現れる？ | 多重評価 | let で一度だけ評価 |
| マクロ内で変数を使う？ | 変数衝突 | gensym を使う |
| 展開結果は正しい？ | - | macroexpand-1 で確認 |
安全なマクロのテンプレート：
(defmacro safe-macro (arg)
(let ((temp (gensym "TEMP"))) ; 1. gensym で変数名を作る
`(let ((,temp ,arg)) ; 2. 引数を一度だけ評価
;; ,temp を使って処理
)))
6. 演習問題と解説
演習1：square マクロ
引数を2乗するマクロ square を作成せよ。多重評価と変数衝突を防ぐこと。
(square 5)
;; → 25
(let ((n 3))
(square (incf n)))
;; → 16（3→4になり、4*4=16）
解答
(defmacro square (x)
(let ((temp (gensym "TEMP")))
`(let ((,temp ,x))
(* ,temp ,temp))))
テスト
;; 基本テスト
(square 5)
;; → 25
;; 多重評価のテスト
(let ((n 3))
(square (incf n)))
;; → 16
;; 展開確認
(macroexpand-1 '(square (incf n)))
;; → (LET ((#:TEMP128 (INCF N)))
;; (* #:TEMP128 #:TEMP128))
演習2：my-unless マクロ
条件が偽のときだけ実行する my-unless を作成せよ。
(my-unless (> 3 5)
(print "3は5より大きくない")
(print "だから実行される"))
;; → 2つとも表示される
解答
(defmacro my-unless (condition &body body)
`(if (not ,condition)
(progn ,@body)
nil))
テスト
(my-unless (> 3 5)
(print "実行される"))
;; → "実行される"
(my-unless (< 3 5)
(print "実行されない"))
;; → NIL（何も表示されない）
;; 展開確認
(macroexpand-1 '(my-unless (> 3 5) (print "yes")))
;; → (IF (NOT (> 3 5))
;; (PROGN (PRINT "yes"))
;; NIL)
演習3：with-message マクロ
処理の前後にメッセージを表示するマクロを作成せよ。
(with-message "計算中"
(+ 1 2)
(* 3 4))
;; 表示: 計算中...開始
;; 表示: 計算中...終了
;; 戻り値: 12
ヒント： prog1 は最初の式の値を返し、残りの式も実行する。
(prog1
(+ 1 2) ; ← この値（3）が返る
(print "A") ; 実行されるが戻り値には影響しない
(print "B")) ; 実行されるが戻り値には影響しない
;; 表示: "A" "B"
;; 戻り値: 3
解答
(defmacro with-message (msg &body body)
`(progn
(format t "~a...開始~%" ,msg)
(prog1
(progn ,@body)
(format t "~a...終了~%" ,msg))))
テスト
(with-message "計算中"
(+ 1 2)
(* 3 4))
;; 出力:
;; 計算中...開始
;; 計算中...終了
;; 戻り値: 12
演習4：repeat マクロ
指定回数だけ処理を繰り返す repeat マクロを作成せよ。
(repeat 3
(print "Hello"))
;; "Hello" が3回表示される
ヒント： dotimes を使う。
;; dotimes の基本
(dotimes (i 3)
(print i))
;; 0, 1, 2 が表示される
解答
(defmacro repeat (n &body body)
(let ((i (gensym "I"))
(limit (gensym "LIMIT")))
`(let ((,limit ,n))
(dotimes (,i ,limit)
,@body))))
なぜ gensym が2つ必要か：
-
limit→ n を一度だけ評価するため -
i→ ループ変数がユーザーの変数と衝突しないため
テスト
(repeat 3
(print "Hello"))
;; "Hello"
;; "Hello"
;; "Hello"
;; 多重評価のテスト
(let ((count 3))
(repeat (progn (print "counting") count)
(print "Hello")))
;; "counting" は1回だけ表示される
;; "Hello" は3回表示される
7. マクロのデバッグ方法
7-1. macroexpand-1 を使う
マクロが思った通りに動かないときは、まず展開結果を確認する。
;; 1段階だけ展開
(macroexpand-1 '(my-when (> x 0) (print x)))
;; → (IF (> X 0) (PROGN (PRINT X)) NIL)
7-2. pprint で見やすく表示
複雑な展開結果は pprint（pretty print）を使うと見やすい。
(pprint (macroexpand-1 '(repeat 3 (print "a") (print "b"))))
;; 整形されて表示される
7-3. 段階的に開発する
例：square マクロを作る過程
;; 1. 期待する展開結果を手で書く
;; (square expr) は以下に展開されてほしい：
(let ((temp expr))
(* temp temp))
;; 2. バッククォートで再現
;; temp は gensym で作る
(let ((temp (gensym)))
`(let ((,temp expr))
(* ,temp ,temp)))
;; 3. マクロとして定義
(defmacro square (x)
(let ((temp (gensym)))
`(let ((,temp ,x))
(* ,temp ,temp))))
;; 4. 展開を確認
(macroexpand-1 '(square (+ 1 2)))
;; → 期待通りか確認
;; 5. 実行テスト
(square 5) ; → 25
(square (+ 1 2)) ; → 9
8. まとめ
学んだこと
-
多重評価問題
- マクロの引数が複数回現れると、複数回評価される
- 解決策：
letで一度だけ評価して変数に束縛する
-
変数衝突問題
- マクロ内の変数がユーザーの変数と同名だと衝突する
- 解決策：
gensymで一意な変数名を生成する
-
安全なマクロのパターン
(defmacro safe-macro (arg) (let ((temp (gensym))) `(let ((,temp ,arg)) ;; ,temp を使う ))) -
デバッグ方法
-
macroexpand-1で展開結果を確認する - 期待する展開結果を先に書き、それを再現する
-