LaTeX/Plain TeX

当你使用 LaTeX 宏时，你会发现它非常有限。你可能会好奇，你每天使用的所有这些软件包是如何用这么少的代码实现的。事实上，LaTeX 是一套 Plain TeX 宏，大多数软件包都使用 Plain TeX 代码。Plain TeX 的级别要低得多，它有更多功能，但学习曲线陡峭，编程复杂。

除了少数例外，你可以在有效的 LaTeX 文档中使用完整的 Plain TeX 语言，反之则不然。

词汇

为了避免混淆，有必要解释一些术语。

• 一个 组 是在开括号之后和匹配的闭括号之前的任何内容。
• 一个 标记 是一个字符、一个控制序列或一个组。
• 一个 控制序列 是任何以 \ 开头的内容。它不会按原样打印，而是根据其类型由 TeX 引擎进行扩展。
• 一个 命令 （或 函数 或 宏）是一个控制序列，它可能扩展为文本，控制序列的（重新）定义等。
• 一个 原语 是一个在 TeX 引擎中硬编码的命令，即 它不是用 Plain TeX 编写的。
• 一个 寄存器 是 TeX 处理变量的方式。它们的数量是有限的（在经典 TeX 中，每种类型的寄存器有 256 个，在 e-TeX 中有 32767 个）。
• 一个 长度 是一个包含长度的控制序列（一个数字后跟一个单位）。参见 长度。
• 一个 字体 是一个引用字体文件的控制序列。参见 字体。
• 一个 盒子 是一个用于打印的对象。出现在纸张上的任何内容都是一个盒子：字母、段落、页面......参见 盒子。
• 一个 胶水 是一个特定的空间量，当盒子被连接在一起时，它被放置在盒子之间。
• 一个 计数器 是一个包含数字的寄存器。参见 计数器。

可能还有更多的术语，但我们希望现在已经足够了。

类别码

在 TeX 中，一些字符具有特殊的含义，而不是打印相关的字形。例如，\ 用于引入控制序列，默认情况下不会打印反斜杠。

为了区分字符的不同含义，TeX 将它们分成 类别码，简称 类别码。TeX 中有 16 种类别码。

TeX 的一项强大功能是它能够重新定义语言本身，因为有一个 \catcode 函数，它可以让你更改任何字符的类别码。

然而，不建议这样做，因为它会使代码难以阅读。如果你在一个类或样式文件中重新定义了任何类别码，请确保在文件末尾将其恢复。

如果你在文档中重新定义了类别码，请确保在序言之后进行，以防止与软件包加载冲突。

代码	描述	默认集
0	转义字符和控制序列	\
1	组的开始	{
2	组的结束	}
3	数学转移	$
4	对齐制表符	&
5	行尾	^^M （ASCII 回车）
6	宏参数	#
7	上标	^ 和 ^^K
8	下标	_ 和 ^^A
9	忽略字符	^^@ （ASCII 空字符）
10	空格	␣ 和 ^^I （ASCII 水平制表符）
11	字母	A...Z 和 a...z
12	其他字符	不在其他类别码中列出的所有内容。最值得注意的是 @。
13	活动字符	~ 和 ^^L （ASCII 换页符）
14	注释字符	%
15	无效字符	^^? （ASCII 删除）

活动字符

活动字符类似于宏：它们是单个字符，将在任何其他命令之前进行扩展。

\catcode`| = 13 \def|{\TeX} ... This is a stupid example of |.

这是一个关于 TeX 的愚蠢示例。

请注意，活动字符需要直接后跟定义，否则编译将失败。

示例

Texinfo

Texinfo 使用类似于 TeX 的语法，但有一个主要区别：所有函数都以 @ 而不是 \ 开头。这并非偶然：它实际上使用 TeX 打印文件的 PDF 版本。它基本做的就是输入texinfo.tex它重新定义了控制序列字符。可能的实现

\catcode`\@=0 @def@@{@char64} % To write '@' character. \catcode`\\=13 @def\{{@tt @char92}} The @TeX command was previously written '\TeX'. It is now written '@@TeX'.

TeX 命令以前写成 '\TeX'。现在写成 '@TeX'。

通过这种重新定义，'@' 现在应该引入每个命令，而 '\' 实际上将打印一个反斜杠字符。

项目符号

有些人可能发现 LaTeX 列表环境的语法有点繁琐。这里有一个快速定义类似维基的项目符号的方法

\catcode`| = 13 \def|{\item {--}} \def\itemize#1{{\leftskip = 40 pt #1 \par}} \itemize{ | First item | Second item }

美元符号和数学

如果您要打印很多“美元”符号，您可能最好更改数学移位字符。

\catcode`$ = 11 \catcode`| = 3 It costs $100. Let's do the math: |50+50=100|. Let's highlight it: ||50+50=100||

\makeatletter 和 \makeatother

如果您进行了一些 LaTeX 编程，您一定遇到过这两个命令，\makeatletter 和 \makeatother。

在 TeX 中，'@' 字符默认属于类别码 11 字母。这意味着您可以将其用于宏名称。LaTeX 利用类别码来指定规则：所有非公共的、内部的宏，其名称中至少包含一个 '@' 字符，这些宏不应由最终用户访问。在文档中，LaTeX 将 '@' 的类别码更改为 12，即 其他。

这就是为什么当您需要访问 LaTeX 内部函数时，必须将所有访问私有函数的命令括在 \makeatletter 和 \makeatother 之间。它们所做的只是更改类别码

\def\makeatletter{\catcode`@ = 11} \def\makeatother{\catcode`@ = 12}

普通 TeX 宏

\newcommand 和 \renewcommand 是 LaTeX 特定的控制序列。它们检查没有现有的命令被新定义所覆盖。

在普通 TeX 中，用于宏定义的原语不会对可能的覆盖进行检查。您需要确保没有破坏任何东西。

语法是

\def<macroname>#1<sep1>#2<sep2>{macro content, use of argument #1, blah, #2 ...}

您可以在参数之间使用（几乎）任何字符序列。例如，让我们编写一个简单的宏，它将小数点分隔符从点更改为逗号。首先尝试

\def\pointtocomma #1.#2{(#1,#2)} %%... \pointtocomma 123.456

这将打印 (123,4)56。我们添加了括号只是为了突出显示这里的问题。每个参数是最短的可能的输入序列，与宏定义匹配，包括分隔符。因此 #1 匹配直到第一个点的所有字符，而 #2 仅匹配第一个标记，即 第一个字符，因为它之后没有分隔符。

解决方案：添加第二个分隔符。空格可能看起来很方便

\def\pointtocomma #1.#2 {(#1,#2)}

一般来说，每当您希望使用特定分隔符获得多个参数时，都要考虑最后一个分隔符。如果您不想使用分隔符，那么普通 TeX 宏的使用方式与 LaTeX 宏相同（没有默认参数）

\def\mymacro#1#2#3{{\bf #1}#2{\bf #3}} %% ... \mymacro{word1}{word2 word3}{!!!}

扩展定义

TeX 还有另一个定义命令：\edef，它代表 扩展定义。语法保持不变

\edef<macroname><argumentslist>{<expanded content>}

内容在使用 \edef 的地方被扩展（但不会执行，即 打印），而不是在定义的宏被使用的地方。宏扩展并不总是显而易见的...

示例

\def\intro{Example} \edef\example#1{\intro~---~#1} \def\intro{Exercise} \example{This is an example}

这里 \intro 的重新定义对 \example 不会有任何影响。

全局定义

定义仅限于其范围。但是，有时将宏定义在一个组中，使其在该组之外以及直到文档结束时仍然有效，这可能很方便。这就是我们所说的 全局定义。

{ \def\LocalTeX{Local\TeX} \global\def\GlobalTeX{Global\TeX} } I can still access the \GlobalTeX{} macro here.

您也可以将 \global 命令与 \gdef 结合使用。

这两个命令都有快捷方式

• \gdef 用于 \global\def
• \xdef 用于 \global\edef

长定义

之前的定义命令不允许您在多个段落中使用它们，即 包含 \par 命令（或双行换行符）的文本。

您可以在定义之前加上 \long 命令，以允许使用多段落参数。

示例

\long\def\dummy#1{#1} \dummy{First paragraph\par Second paragraph}

外部定义

此前缀宏阻止定义在某些上下文中使用。它有助于合并宏并使其因错误的上下文而更不容易出错。外部宏 旨在在任何上下文之外使用，因此得名。

例如，以下代码将失败

\outer\def\test{a test} \def\failure{\test}

外部宏不允许出现在

• 宏参数
• 跳过的条件
• ...

let 和 futurelet

\let<csname><token> 与 \expandafter\def\expandafter<csname>\expandafter{<content>} 相同。它定义了一个新的控制序列名称，该名称等效于指定的 token。该 token 通常是另一个控制序列。

请注意，\let 只会扩展 token 一次，这与 \edef 相反，\edef 将递归扩展，直到不再可能进一步扩展。

示例

Using let:\par \def\txt{a} \def\foo{\txt} \let\bar\foo \bar % Prints a \def\txt{b} \bar % Prints b Using edef:\par \def\txt{a} \def\foo{\txt} \edef\bar{\foo} \bar % Prints a \def\txt{b} \bar % Prints a

\futurelet<csname><token1><token2>... 的工作方式略有不同。首先，token2 被分配给 csname，然后 TeX 处理 <token1><token2>... 序列。因此，\futurelet 允许您在使用标记后立即分配它。

特殊的控制序列名称

某些宏的名称可能无法直接写入。对于由宏名称组成的宏名称，情况就是如此。示例

\def\status{full} \def\varempty{This is empty} \def\varfull{This is full} \csname var\status \endcsname

最后一行将根据 \status 打印一个句子。

此命令实际上与 \string 相反，\string 会打印一个控制序列名称，而不会扩展它

{\tt \string\TeX}

\TeX

控制扩展

\expandafter{token1}{token2} 将在 token1 之前扩展 token2。当需要扩展 token2 但由于 token1 而无法扩展时，这有时是必需的。

{\tt \expandafter\string\csname TeX\endcsname}

\TeX

\noexpand 有助于对 \edef 中扩展的内容进行细粒度控制。示例

\def\intro{Example} \def\separator{~---~} \edef\example#1{\intro\noexpand\separator#1} \example{no expand makes the separator dynamic in an {\tt \string\edef}.} \def\intro{For instance} \def\separator{~:~} \example{the separator changed, but not the first word.}

\the 控制序列可以让你看到各种 TeX 类型的內容

• 类别码
• 字符定义
• 字体参数
• 内部参数
• 长度
• 寄存器
• ...

示例

Text dimensions: $ \the\hsize \times \the\vsize $

寄存器

寄存器是一种类型的变量。它们的數量有限，从 0 到 255。共有 6 种不同的类型

类型	描述
盒子	一个盒子
计数器	一个整数
尺寸	一个长度
粘性 (mu 单位)	一个粘性 (mu 单位)
粘性	一个粘性
令牌	一个令牌序列

TeX 在内部使用一些寄存器，所以最好不要使用它们。

保留寄存器列表

• \box255 用于页面的内容
• \count0-\count9 用于页码编号

临时寄存器（可自由使用）

• \box0-\box254
• \count255
• \dimen0-\dimen9
• \muskip0-\muskip9
• \skip0-\skip9

使用 '=' 控制字符分配寄存器。对于盒子寄存器，请使用 \setbox 命令。

\count255=17 \setbox\mybox=\hbox{blah}

你可以使用以下保留宏之一来防止任何冲突

\newbox \newcount \newdimen \newmuskip \newskip \newtoks

这些宏使用以下语法：\new*<csname>。例如

\newbox\mybox \setbox\mybox=\hbox{blah}

这些命令不能在宏内部使用，否则每次调用宏都会保留另一个寄存器。

你可以使用 \the 命令打印寄存器。对于计数器，请改用 \number 命令。对于盒子，请使用 \box 命令。

\the\hsize \number\count255 \box\mybox

算术

TeX 的算术功能非常有限，虽然这个基础足以扩展到一些有趣的功能。三个主要功能

\advance <register> by <number> \multiply <register> by <number> \divide <register> by <number>

register 可以是计数器、尺寸、粘性 (mu 单位) 或粘性类型。它对盒子和令牌没有意义。

条件语句

基本语法是

\if* <test><true action>\fi \if* <test><true action>\else<false action>\fi

其中 \if* 是以下命令之一。

控制序列	描述
\if <a><b>	如果两个字符码相等，则为真。
\ifcat <a><b>	如果两个类别码相等，则为真。
\ifdim <a><rel><b>	尺寸关系，要么<, >要么=.
\ifeof	如果文件末尾或不存在的文件，则为真。
\iffalse	始终为假。
\ifhbox <reg>	如果盒子寄存器包含水平盒子，则为真。
\ifhmode	如果在水平模式下，则为真。
\ifinner	如果在内部模式下，则为真。
\ifmmode	如果在数学模式下，则为真。
\ifnum <a><rel><b>	数字关系，要么<, >要么=.
\ifodd <num>	如果数字是奇数，则为真。
\iftrue	始终为真。
\ifvbox <reg>	如果盒子寄存器包含垂直盒子，则为真。
\ifvmode	如果在垂直模式下，则为真。
\ifvoid <reg>	如果盒子寄存器为空，则为真。
\ifx <a><b>	如果两个宏展开为相同，或者如果两个字符码相等，或者如果两个类别码相等，则为真。

示例

\ifnum 5>6 This is true \else This is false \fi

这是假的

自定义条件语句

你可以使用 \newif 命令创建新的条件语句（作为一种 布尔变量）。通过这些自定义条件语句，你可以以一种优雅的方式控制代码的输出。说明条件语句用法的最佳方法是通过一个例子。

必须生成两个版本的文档。一个版本是针对 A 组的，另一个版本是针对其他所有人的（即不属于 A 组的）。

1. 我们使用 \newif 来定义我们的条件语句（即布尔变量）。

\newif\ifgroupA

2. 以下方式为我们的条件语句设置一个值（真或假）

\groupAtrue % or \groupAfalse

也就是说

\<conditionalsname>true \<conditionalsname>false

取决于我们希望在条件语句中设置哪个值。

3. 现在我们可以在之后的任何地方使用我们的条件语句，在 if 控制结构 中。

\ifgroupA % Here we write the code of the document that is % intended for the group A \else % Here we write the code of the document that is % intended for the rest of the people \fi

一个完整的例子是

\newif\ifdirector %I set the conditional to false \directorfalse \ifdirector I write something for the director. \else I write something for common people. \fi

我写一些针对普通人的东西。

情况语句

语法是 \ifcase <number><case0>\or<case1>\or...\else<defaultcase>\fi。如果 number 等于情况编号，它的内容将被打印。注意，它从 0 开始。

\ifcase 2 a\or b\or c\or d\else e\fi

c

\else 用于指定默认情况（当之前的任何情况都没有匹配时）。

循环

基本语法是

\loop <content> \if*<condition><true action>\repeat

与往常一样，content 和 true action 是任意的 TeX 内容。\if* 指的是任何 条件语句。注意，没有 false action，你不能在 \if* 和 \repeat 之间放置 \else。在某些情况下，这将与你想要的结果相反；你需要更改条件或使用 \newif 定义一个新的条件语句。例如

\count255 = 1 \loop \TeX \ifnum\count255 < 10 \advance\count255 by 1 \repeat

上面的代码将打印十次 TeX。

什么都不做

有时，告诉 TeX 你什么都不想做可能很有用。有两个命令可以做到这一点：\relax 和 \empty。

经典示例

\def\myspace{\hskip 25pt\relax} \myspace{} plus 10pt

如果在命令之后遇到 plus 或 minus，\relax 将阻止出现不希望的行为。

\empty 和 \relax 之间的区别在于展开：\empty 在宏展开后会消失。

TeX 字符

char

我们可以使用 \char {charcode} 命令打印所有字符。charcode 实际上是字节值。例如

\char65 = \char `A = \char `\A

大多数字符对应于 ASCII 值（例如 A-Za-z），一些字符替换了 ASCII 中的不可打印字符。

chardef 和 mathchardef

你可以定义控制序列以展开为特定字符。语法是 \chardef<control sequence>=<charcode>。以下序列执行相同的操作。

\chardef\myA=65 \chardef\myA=`A \chardef\myA=`\A

示例

\mathchardef\alphachar = "010B $\alphachar$

字体编码映射

我们可以使用上面的原语打印字体编码映射。

\count255 = 0 \loop [\number\count255 =\char\number\count255] \ifnum\count255 < 127 \advance\count255 by 1 \repeat

另一个版本，使用不同的字体，每行一个条目

\count255 = 0 \loop [\number\count255 = \char\number\count255 \ {\tt \char\number\count255} {\it \char\number\count255} ] \hfil\break \ifnum\count255 < 127 \advance\count255 by 1 \repeat

逐字文本行和空格

发现 (La)TeX 将所有空白都视为同一类型的间距粘性，这一点令人困惑。Plain TeX 提供了一些命令来保留你写的间距和换行符

\begingroup \obeylines \obeyspaces Relevant text here \endgroup

这意味着你可能需要组合自己的逐字文本环境和你的命令

\newenvironment{myverbatim}{\begingroup \obeylines \obeyspaces}{\endgroup} \newcommand{\mycommand}[n]{do something with #1 .. #n}

然后在你的 tex 文件中

\begin{myverbatim} \mycommand{ whichever text it is important you preserve the spacing and newslines for, like when you want to generate a verbatim block later on. } \end{myverbatim}

定义宏的宏

在某些情况下这很有用，例如定义语言命令，如多语言版本中所述，终端用户可以编写

\en{some english text} \de{etwas deutscher Text}

并确保它切换到相应的 Babel 语言。

让我们定义一个宏，它将定义语言命令，例如。这些命令很简单：如果参数是\locale变量的值，则相应的宏直接打印其内容。否则，它什么也不做。

基本上，我们想做的事情非常简单：定义一堆像这样的宏

\newcommand{\de}[1]{#1} \newcommand{\en}[1]{} \newcommand{\fr}[1]{}

在前面的代码片段中，只有\de命令将输出其内容，\en和\fr将什么也不打印。这就是我们想要的。当您想自动化任务时，或者您有许多语言，并且想要更改语言选择时，问题就出现了。您只需要移动#1，但这很不方便，而且无法从命令行选择 Babel 语言。仔细考虑一下...

我们将做的是根据\locale变量的值（或您选择的任何变量）动态定义语言命令。因此使用来自ifthen包的\equal命令。

由于用 LaTeX 几乎不可能写出来，我们将使用一些 Plain TeX。

\def\locale{de} \def\localedef#1{ \ifthenelse{ \equal{\locale}{#1} }{ %% Set the Babel language. %% Define the command to print the content. }{ %% Define the command to print nothing. } }

另一个问题出现了：如何定义一个名称是变量的命令？在大多数编程语言中，这根本不可能。我们可以尝试写的是

\def\#1 #1{#1}

它将因两个原因而失败。

1. 最后两个“#1”应该指的是新宏的参数，但它们首先扩展到\localedef宏的第一个参数，因为它们在该宏的正文中。
2. \#1扩展为两个标记：“#”和“1”，而\def命令将失败，因为它需要有效的控制序列名称。

问题 1 的解决方案很简单：使用“##1”，它将在宏执行时扩展为“#1”。

对于问题 2，它有点棘手。有可能告诉tex某个特定标记是控制序列。这就是\csname...\endcsname的用途。但是

\def\csname#1\endcsname ##1{##1}

将失败，因为它将重新定义\csname为“#1”，这不是我们想要的，那么tex将遇到\endcsname，这将导致错误。

我们需要延迟\def的扩展，即告诉tex首先扩展\csname内容，然后对其应用\def。有一个命令可以做到这一点：\expandafter{token1}{token2}。它将在{token1}之前扩展{token2}。

最后，如果我们想从命令行设置语言，我们必须能够设置\locale变量，以便源代码中的变量是默认值，可以被命令行中的变量覆盖。这可以通过\providecommand来实现

\providecommand\locale{fr}

最终代码是

%% Required package. \usepackage{ifthen} %% TeX function that generates the language commands. \def\localedef#1#2{ \ifthenelse{ \equal{\locale}{#1} }{ \selectlanguage{#2} \expandafter\def\csname#1\endcsname ##1{##1} }{ \expandafter\def\csname#1\endcsname ##1{} } } %% Selected language. Can be placed anywhere before the language commands. \providecommand\locale{fr} %% Language commands. \localedef{de}{ngerman} \localedef{en}{english} \localedef{fr}{frenchb} %% ...

您可以使用以下命令进行编译

latex '\providecommand\locale{en}\input{mydocument.tex}'

笔记和参考资料

进一步阅读

• TeXbook，Donald Knuth
• TeX by Topic，Victor Eijkhout
• TeX for the Impatient，Paul W. Abrahams, Karl Berry 和 Kathryn A. Hargreaves
• TeX 命令参考在 wikibooks 中