盒子

要问 TeX 最根本的想法是什么，答案既不是字体，也不是公式，更不是断行算法，而是 盒子。LaTeX 放到页面上的一切都是盒子：一个带有宽度、高度和深度的矩形，用胶（glue）与相邻元素连接，一旦装配完成就再也不会被打开查看。\mbox 之所以能阻止断词，溢出的行之所以报作 Overfull \hbox，\parbox 与 minipage 之所以在某处分道扬镳，都源于这一点。本页按照这个统一的想法，逐一走过你真正会敲下的盒子命令——\mbox、\makebox、\framebox、\raisebox、\parbox、minipage、\newsavebox。

宽度、高度与深度：盒子为什么有三个尺寸

盒子的尺寸不是两个而是三个：宽度、高度 和 深度。高度自基线向上量，深度自基线向下量——所以盒子不是围住墨迹的矩形，而是 挂在字母所立的那条线上的矩形。这三个值可以用 \the\wd、\the\ht、\the\dp 读出。在 10pt 的 Computer Modern 下把 Hx 装进盒子，深度是 0.0pt；换成 Hxg，深度变成 1.94444pt，因为 g 伸到了基线以下。宽度当然也变了，但深度变化的原因完全不同。

这一点正好解答了几乎人人都会先撞上、却在懂得盒子之后才明白的谜题：为什么 \fbox{Hx} 的边框贴着字母，而 \fbox{Hxg} 的边框看起来往下坠？ 因为 \fbox 框住的是盒子而不是字母，而 Hxg 的盒子深了 1.94pt。把一排带框的词并列到表格的一行里，边框就会随着下伸部（descender）的有无而上下跳动。解法是加 支柱（strut）：\fbox{\strut Hx} 与 \fbox{\strut Hxg} 的高度和深度完全一致，因为 \strut 是一个零宽的隐形盒子，向上占据当前 \baselineskip 的 0.7 倍、向下占据 0.3 倍。支柱在本页后面还有专门一节。

\newsavebox{\probe}
\newcommand{\dims}[1]{\sbox{\probe}{#1}%
  \typeout{[#1] w=\the\wd\probe\space h=\the\ht\probe\space d=\the\dp\probe}}

\dims{Hx}    % w=12.77782pt  h=6.83331pt  d=0.0pt      <- no descender
\dims{Hxg}   % w=17.77783pt  h=6.83331pt  d=1.94444pt  <- the g adds depth

% same words framed: only the second frame sinks below the baseline
\fbox{Hx}\quad\fbox{Hxg}\quad \fbox{\strut Hx}\quad\fbox{\strut Hxg}

用 \mbox 阻止断行与断词

\mbox{...} 会把内容留在一行里，并在其内部关闭断词。原因就写在定义里：LaTeX 把 \mbox 声明为 \leavevmode\hbox{#1}，仅此而已。\hbox 是 已经装配完成的盒子，而 TeX 绝不会回头钻进一个成品盒子里去寻找断行点或断词位置。所以 \mbox{antidisestablishmentarianism} 不是被客气地请求「别断开」，而是根本 无法 断开。这种只把内容从左往右排下去、绝不折行的盒子，LaTeX 称为 LR 盒子（其内部处于 LR 模式）；\mbox、\makebox、\fbox、\framebox 都属这一族，与固定宽度并折行的 段落盒子 \parbox 和 minipage 相对。TeX 的整套世界观——排版就是用胶把盒子连起来——被浓缩进了这一条命令。

代价是：不可断开的盒子有时会宽过一行，这时 TeX 就会抱怨。那条消息值得逐字细读：Overfull \hbox (29.62221pt too wide) in paragraph at lines 5--5。它写的是 \hbox 而不是「行」，因为 TeX 产出的每一行本身就是一个 hbox——断段器把单词和可伸缩的胶装进每行一个的 hbox 里，这正是高德纳与迈克尔·普拉斯在 1981 年发表的《Breaking paragraphs into lines》所描述的模型。给文档类加上 draft 选项，LaTeX 会把 \overfullrule 设为 5pt，在每一条越界的行旁边的页边打印一根黑棒；那根黑棒本身就是一个被填满的盒子。\mbox 该用在真正不能拆开的东西上——产品名、电话号码、数值与单位——而不是当作糟糕断行的万能药。

% never split, never hyphenated
Released for \mbox{Mac OS X} and \mbox{Windows 11}; call \mbox{+81 3-1234-5678}.

% too wide for the measure -> Overfull \hbox (...pt too wide) in the log
\parbox{3.4cm}{aaa \mbox{antidisestablishmentarianism}}

% \documentclass[draft]{article} sets \overfullrule=5pt and marks the line

用 \makebox 指定宽度与对齐——零宽盒子、\rlap 与 \llap

\makebox[width][position]{text} 就是把宽度的决定权从 TeX 手里拿过来交给你的 \mbox。[position] 指定内容在你要求的宽度中的位置：l 左对齐，r 右对齐，c 居中（默认），而 s 会拉伸词间的胶，让内容正好铺满整个宽度——\makebox[3cm][s]{a b c d} 确实会排成 3cm 宽。其他字母也会被接受，但 LaTeX 会给出 Unexpected alignment 警告并退回到 c。

在宽度参数内部，有四个名字代表「正要装进盒子的东西的自然尺寸」：\width、\height、\depth 以及 \totalheight（高度加深度）。它们在宽度被求值之前就由内容设定，所以 \makebox[2\width]{word} 会先把 word 量为 21.4167pt，再造出 42.8334pt 的盒子。这就是「宽度是它的两倍」这句话的干净写法，而不必先确定「它」到底是什么。同样这四个名字也可用于 \framebox、\savebox 和 \raisebox 的参数。

而最有用的宽度是 0pt。零宽盒子会被排出来，却不推进当前位置，于是它会叠印在随后的内容之上。\makebox[0pt][l]{...} 把内容垂到当前点的右侧，\makebox[0pt][r]{...} 垂到左侧，[c] 则跨在两边。这两者各有简称——\rlap 与 \llap——LaTeX 正是照此定义的：\hbox to 0pt{#1\hss} 与 \hbox to 0pt{\hss#1}。叠印、悬挂标点、页边记号，以及绝大多数自制的删除线宏，全都是这一个把戏。

\makebox[3cm][l]{left}|\makebox[3cm][r]{right}|
\makebox[3cm][s]{a b c d}|   % interword glue stretched to exactly 3cm
\makebox[2\width]{word}|      % twice the natural width of "word"

% zero width: the slash overprints the space that follows the X
X\rlap{/}\quad Y              % identical to X\makebox[0pt][l]{/}\quad Y

\fbox 与 \framebox 的区别，以及决定边框的两个长度

\fbox{text} 与 \framebox[width][position]{text} 的区别，恰恰就是 \mbox 与 \makebox 的区别：\fbox 按内容的自然宽度加框，\framebox 则在你指定的宽度内加框，位置参数同样是 l／c／r／s。两者都会在盒子的四边画线，外观由两个长度决定：线条粗细 \fboxrule 为 0.4pt，线条与内容之间的间距 \fboxsep 为 3pt。算一算即可验证：Hx 宽 12.77782pt，而 \fbox{Hx} 宽 19.5778pt——差值正好是 3.4pt 的两倍。写 \setlength{\fboxsep}{0pt}，边框就会紧贴字母。

\fbox 是 LR 盒子，所以它只能框住一行。要给段落加框，就 给段落盒子加框——\fbox{\parbox{6cm}{...}}。外层盒子不关心里面装的是什么，只看它有多大。这种可组合性正是盒子模型的要义，同时也解释了为什么围绕 \parbox 画的边框会原样继承上一节的下伸部问题；在框内文字的开头和结尾各放一个 \strut，一叠这样的框就能保持齐平。一旦需要圆角、背景色或可跨页的边框，那就是 framed、tcolorbox 等专用宏包的地盘，留给「边框」那一页。

\setlength{\fboxrule}{1pt}   % default 0.4pt
\setlength{\fboxsep}{6pt}    % default 3pt
\fbox{one line}\quad\framebox[4cm][r]{4cm wide, flush right}

% frame a whole paragraph: put a paragraph box inside the frame
\fbox{\parbox{6cm}{\strut A framed paragraph. The frame follows the box,
and the struts keep its height independent of ascenders and descenders.\strut}}

\parbox 与 minipage 的区别

两者都固定宽度并让文字在其中折行。区别 并不是 常被复述的那句「\parbox 只能放一个段落」。它想放几段就放几段，列表也可以——\parbox{4cm}{First.\par Second.} 确实会排出两个段落。真正的区别在于：minipage 是 环境，\parbox 是 命令，这决定了里面可以合法出现什么。其余写法是一致的：\parbox[position][height][inner-pos]{width}{text} 与 \begin{minipage}[position][height][inner-pos]{width}。两者都会把 \parindent 和 \parskip 重置为 0，并把 \linewidth 设为盒子的宽度——这正是在其中写 \includegraphics[width=\linewidth]{...} 能得到正确结果的原因。

[position] 决定盒子如何与周围的行相接，也是最容易被误读的参数。[t] 并不是 把盒子的顶端对齐：它把盒子 第一行 的基线放到周围的基线上。量一个三行的 \parbox[t]，高度是 4.30554pt——那是小写 o 的高度，不是盒子的高度——而深度是 24pt，也就是有两整行悬在基线之下。[b] 对最后一行做镜像的事，默认的 [c] 则把盒子居中对齐到该行。所以两个 [t] 的 minipage 是按 第一条基线 对齐的；若其中一个以图片或更大的字号开头，顶端依然会参差不齐。补救办法是在各自开头加一个 \strut，或者用 \raisebox 挪动其中一个。四参数写法 \parbox[position][height][inner-pos]{width}{text} 还能强制指定盒子的高度，[inner-pos] 则决定内容在这个高度里靠上（t）、居中（c）、靠下（b），还是用 s 上下撑满。

两者真正分道扬镳的地方是 里面能装什么。\parbox 的正文是作为宏参数读入的，此时类别码已经固定，所以 \parbox{5cm}{\begin{verbatim}...\end{verbatim}} 会直接以 ! Argument of \@xverbatim has an extra }. 失败——而同样的 verbatim 在 minipage 里可以正常工作。脚注比报错更麻烦：\parbox 内的 \footnote 会印出标记，然后 把脚注正文整个弄丢，因为插入物被困在盒子里，永远到不了页面。minipage 则是有意处理它的：用自己的 mpfootnote 计数器生成 斜体小写字母 作标记，把脚注放在 minipage 正下方。浮动体在两者中都被禁止：在 minipage 里写 figure 会以 ! LaTeX Error: Not in outer par mode. 中止。而且两者都不能跨页断开，因为盒子按定义就是整块放置的。

minipage 最常见的用途是并排的两栏：两个各约占 \textwidth 的 0.48，中间放一个 \hfill。总和要小于 1，否则第二个放不下。还有一个人人都会栽一次、耗掉半天的陷阱：\end{minipage} 与 \begin{minipage} 之间源文件里的 换行会变成一个普通空格，于是两个盒子被一个你从未敲过的词间空白撑开。在行末加一个 %，空格就消失了。若要让两栏按高度对齐，或希望文字绕排在盒子周围，请转到「浮动体与放置」那一页。

\noindent
\begin{minipage}[t]{0.48\textwidth}
  \strut Left column. Several paragraphs, lists and a local footnote
  are all fine here.\footnote{Printed under this box, marked a, b, \dots}
\end{minipage}\hfill%   <- the % kills the newline; without it the boxes drift apart
\begin{minipage}[t]{0.48\textwidth}
  \strut Right column. [t] aligns the FIRST BASELINES, not the tops --
  the struts are what make the tops line up as well.
\end{minipage}

用 \raisebox 上下移动——以及谎报尺寸的参数

\raisebox{lift}{text} 会把内容抬高指定的量，值为负则下移；它是把两个不同尺寸的素材对齐到基线的常规工具。有意思的是那两个可选参数：\raisebox{lift}[height][depth]{text} 会让 LaTeX 对外声明这个高度和深度，而不管实际画出来的是什么。\raisebox{0pt}[0pt][0pt]{\Huge Ag} 仍然完整占据 28.66008pt 的宽度，量出来却是高 0pt、深 0pt（真实值是 16.99782pt 与 4.83937pt），于是周围的行距会按「那里什么都没有」来计算。装饰字符或超大字形能落进正文而不撑开行距，靠的就是这个机制；\width、\height、\depth、\totalheight 这四个简写在这里同样可用。当然，声明与墨迹不符就必然会与邻行重叠——所以只在「重叠正是目的」时才谎报尺寸。

\rule 与支柱（strut）——用看不见的盒子撑出行高

\rule[lift]{width}{height} 会画出一个实心的黑色矩形——它几乎是唯一一个以盒子本身的形状把墨迹落到页面上的 LaTeX 命令。\rule{0.5\linewidth}{0.4pt} 就是一条宽为行宽一半的细横线。可选的 [lift] 在保持矩形尺寸不变的前提下，改变它相对基线的位置：\rule[-2pt]{10pt}{8pt} 量出来是宽 10pt、高 6pt、深 2pt——这 8pt 高的矩形里，有 2pt 悬在基线以下。

把宽度设为 0，线条就不再印出，却仍继续占位——这就是 支柱（strut）。\rule{0pt}{2.6ex} 不可见，宽 0pt，高 11.19443pt；把它放在表格一行的开头，这一行就保证至少有那么高。LaTeX 自带的 \strut 是按当前行距做好的成品：当 \baselineskip 为 12pt 时，它高 8.39996pt、深 3.60004pt——正是这一行的 0.7 与 0.3 的划分。这也解释了为什么 \fbox{\strut Hx} 与 \fbox{\strut Hxg} 完全一致：支柱比这两个词都更高更深，于是下伸部再也决定不了盒子的尺寸。它是文字挤到 \hline 上时的经典解法，也是让一排盒子保持统一竖直节奏的工具。

% a centred horizontal rule
\noindent\hfil\rule{0.5\linewidth}{0.4pt}\hfil

% a strut forces a taller, roomier table row
% (\strut is the ready-made one, sized to the current \baselineskip)
\begin{tabular}{|l|}
  \hline
  \rule{0pt}{2.6ex}Tall, uncramped row \\
  \hline
  \strut Same idea, sized to the current leading \\
  \hline
\end{tabular}

% put two differently sized boxes on one baseline
big \raisebox{-0.4ex}{\Huge A} small

用 \newsavebox／\sbox／\usebox 保存并重复使用盒子

出现不止一次的素材，可以只排版一次然后回放。\newsavebox{\name} 保留一个盒子寄存器，\sbox{\name}{text} 把内容填进去——若想要 \makebox 式的写法，则用 \savebox{\name}[width][position]{text}——再用 \usebox{\name} 取出。内容真正被排版只发生在 \sbox 的那一刻，此后不再重复。因此，一张长表或一幅复杂图形若要用在三处，排版开销只有一次，而三份副本分毫不差。

盒子寄存器是有限资源，而且有大约二十年是 稀缺 资源。最初的 TeX 只有整整 256 个，编号 0 到 255；分配得太多的文档会以 ! No room for a new \box 停下。eTeX 把上限提到 32768，LuaTeX 提到 65536，所以如今几乎不会撞上——LaTeX 在构建格式时按引擎选定上限，内部的 \e@alloc@top 分别是 255、32767 或 65535。关于接口有两点提醒：保存盒子本身是 LR 盒子，所以多行内容要先用 \parbox 或 minipage 包起来；而当内容含 verbatim 时，应改用环境形式 \begin{lrbox}{\name} … \end{lrbox}。另外，旧资料常说「\savebox 是脆弱的（fragile）」，在当前的 LaTeX 中并非如此：\mbox、\makebox、\fbox、\parbox、\raisebox、\sbox 和 \savebox 全都被声明为稳健的（robust）。

\usebox 的搭档是 \settowidth{\len}{text}、\settoheight 和 \settodepth。它们会以不可见的方式排版内容，并把结果的某一个尺寸存入长度变量。它们的存在是为了「画出与另一样东西完全等大的东西」——先量出签名栏的宽度，再用 \rule 画出下划线。

\newsavebox{\mylogo}
\sbox{\mylogo}{\fbox{\textbf{Draft}}}   % typeset once, here

Header: \usebox{\mylogo} \dots\ Footer: \usebox{\mylogo}

% verbatim inside a save box needs the environment form
\newsavebox{\snippet}
\begin{lrbox}{\snippet}
  \begin{minipage}{6cm}\begin{verbatim}int main(void) { }\end{verbatim}\end{minipage}
\end{lrbox}
\usebox{\snippet}

% measure a box into a length, then rule exactly that wide
\newlength{\siglen}
\settowidth{\siglen}{Signature}
Signature\par\rule{\siglen}{0.4pt}

什么时候用哪个盒子命令