交叉引用

LaTeX 从头到尾只读一遍文档。所以当第 2 页写下 \ref{fig:leaf}，而它指向的图在第 40 页时，那个编号还根本不存在——LaTeX 的整套交叉引用机制，也就是 \label 与 \ref，正是为了解决这一个问题而生：引用出现在目标之前。办法朴素得出人意料：第一遍运行把编号写进 .aux 文件，第二遍再读回来。本页顺着这条线索，讲两遍编译、中途出现的粗体 ??、把 \label 放在 \caption 之前会报出错误编号的原因，以及 cleveref 和 varioref 带来的改进。

\label 与 \ref — 用名字称呼，不写编号

交叉引用只靠两个命令。\label{key} 把名称 key 绑定到该处 最近一次递增的计数器 的值上，纸面上什么也不打印。\ref{key} 则把这个名称所代表的 编号本身 插入正文。计数由 LaTeX 完成，你一个数字都不用敲。key 是任意字符串；因为标签跟着对象走，你可以重排图片顺序，或者把整节搬到另一章，所有引用都会跟着更新。手写「图 3」的文档经不起这样一次移动，而这样的文档毫发无损。

\section{Introduction}
\label{sec:intro}

\begin{equation}
  \label{eq:euler}
  e^{i\pi} + 1 = 0
\end{equation}

\begin{figure}
  \centering
  \includegraphics{leaf}
  \caption{Vein structure of a leaf}
  \label{fig:leaf}          % after \caption, always
\end{figure}

As shown in Section~\ref{sec:intro}, equation~\eqref{eq:euler}
and Figure~\ref{fig:leaf} agree on page~\pageref{fig:leaf}.

有一点几乎人人都会栽跟头：\ref 返回的 只有编号。「图」「公式」「第几节」这些词不会跟着出来，需要自己写，而且要用 不断行空格 ~（tie）而非普通空格把词和编号连起来。写成 Figure \ref{fig:leaf}，一行可能正好在「Figure」后结束，把「3」孤零零留到下一行；写成 Figure~\ref{fig:leaf} 就不会在那里断开。手写类型词这件小事，正是后面 \cref 和 \autoref 要替你接管的部分。

为什么要编译两次 — .aux 文件与 ??

交叉引用 不会在一次编译中定型。每遇到一个 \label，LaTeX 就把对应编号和页码写进与正文同基名的 .aux 文件；而 \ref 能读到的，只有 上一次 运行写进去的内容。因此第一遍时目标值根本不存在：输出中出现 粗体 ??，日志里并排出现两条警告。这两条都值得记住，因为它们正是人们会敲进搜索框的字符串。

LaTeX Warning: Reference `fig:leaf' on page 1 undefined on input line 17.
LaTeX Warning: There were undefined references.
LaTeX Warning: Label(s) may have changed. Rerun to get cross-references right.

这个 ?? 不是意外的副产品，而是 写进 LaTeX 内核的规定。latex.ltx 中的 \@setref 在名称未定义时排出 \reset@font\bfseries ??，并在紧接着的一行发出「Reference … undefined」警告。用粗体是有意为之：粗体不会融进周围的字体，缺口一眼可见。再编译一次，.aux 中的值就会读回来，?? 变成真正的编号。如果编号前后移动导致引用值改变，警告会再次出现，所以正确做法是 重复到警告消失为止（实践中通常两遍足够）。latexmk 会替你转这个循环，Overleaf 也在后台处理多次，所以在那里很少见到 ??。

.aux 是普通文本文件，可以直接打开阅读。每个标签写下一行 \newlabel，行中含有 五个字段：编号、页码、标题文字、链接目标的锚点名，以及一个备用字段。正因为有第三个字段，\nameref 才能插入标题本身；正因为有第四个字段，hyperref 才知道点击该跳到哪里。引用出问题而原因不明时，最短的路径就是打开 .aux 找那一行。整行不见，说明 \label 根本没被采集；值看着不对，那就是它的摆放位置有问题——正是下一节的主题。

% one line per label: {number}{page}{title}{anchor}{spare}
\newlabel{sec:intro}{{1}{1}{Introduction}{section.1}{}}
\newlabel{fig:leaf}{{2}{3}{Vein structure of a leaf}{figure.2}{}}

当 \ref 给出错误编号 — \label 要放在 \caption 之后

图的引用与图的编号对不上——这个症状的原因几乎无一例外是 \label 的位置。\label 并不是因为「身处 figure 环境之内」才取到图号的。它取的是 紧邻其前递增的那个计数器 的值，而 figure 环境本身根本不递增任何计数器。真正推进计数器的是 \caption。因此，紧跟 \begin{figure} 写下的 \label 捕获的不是图号，而是当时最后递增过的计数器——多半是当前所在的节号或章号。

与其解释，不如亲手跑一遍。把一张图放进第 7 节里，在 \caption 的 前 和 后 各贴一个标签，用 TeX Live 2024 的 pdfLaTeX 编译，.aux 中会写着：放在前面的标签是 7（节号），放在后面的是 1（图号）。而且一条警告也不会出现。两者都是合理的编号，LaTeX 无从判断哪个是错的。正因为它不会报错停下，这类事故常常溜过评审一路进到印刷。

\section{A}\section{B}\section{C}
\section{D}\section{E}\section{F}\section{G}   % we are now in section 7

\begin{figure}
  \label{fig:before}      % WRONG: no counter stepped yet -> picks up 7
  \centering\rule{2cm}{1cm}
  \caption{A leaf}        % <- this is what steps the figure counter
  \label{fig:after}       % RIGHT: picks up 1
\end{figure}

% .aux after two runs:
%   \newlabel{fig:before}{{7}{1}{}{}{}}
%   \newlabel{fig:after}{{1}{1}{}{}{}}

规则可以浓缩成一句：把 \label 紧放在产生编号的那个命令之后。 图和表就是 \caption 之后（写在 \caption 的参数里也行）；标题就是 \section 之类的紧后面；带编号的公式就在 equation 环境内部；列表项就在 \item 之后。一张图里若有多个 \caption 而只贴一个标签，它指向哪个编号取决于你放在了哪个 \caption 之后。至于把 \label 写在 \caption 之前，可以认为唯一站得住脚的理由就是根本没有 \caption。

\pageref 与标签的命名方式

如果想指向的是 页码 而不是编号，用 \pageref{key}。它接受同一个标签，返回该 \label 被排在哪一页 的页码，于是可以像 Figure~\ref{fig:leaf} on page~\pageref{fig:leaf} 这样把编号和页码并列写出。从结构上看，它不过是把 \newlabel 那一行的第二个字段还给你而已。在读者真会一页页翻的文档里——长篇报告、装订成册的论文——它最见效。

key 可以随意命名，但普遍做法是给它加上表示 目标类型 的前缀：sec:、fig:、tab:、eq:、ch:、lst:。这样有两点好处。第一，按内容命名，比如 fig:leaf，重排图片顺序时不必改名；而像 fig:3 这样的名字，一旦插入第二张图就立刻变成谎言。第二，看到 \ref{fig:...} 就立刻知道目标是什么类型，这让你日后把整个文档切换到 \cref 时，可以机械地通读自己的源码。

\eqref — 让公式编号自带括号（amsmath）

公式编号按惯例带括号书写（「由公式 (3)」），但普通 \ref 只返回 3。加载 amsmath 后可用的 \eqref{key} 会补上括号，返回 (3)。这里真正的好处不在于少敲几个键，而在于 字形：\eqref 产生的括号无论周围是什么字体都始终是直立体，所以在正文为斜体的定理环境里，括号仍然是竖直的。若手写 (\ref{eq:euler})，那对括号就会跟着斜体一起倾斜。

cleveref — \cref 与 \Cref 自动处理类型词和单复数

cleveref 把引用提升了一档。\cref{key} 会自动在编号前加上表示类型的词（默认是缩写「fig. 1」，加 noabbrev 选项则是「figure 1」），\Cref{key} 把首字母大写，让引用可以放在句首。它真正的强项是 多项与范围：用不带空格的逗号分隔传入标签——\cref{fig:a,fig:b,fig:c}——它会排序并合并编号，过程中 还把类型词改成复数，给出「figs. 1, 2 and 4」这样的结果。更妙的是，编号连续时会自动折叠成范围，所以上面这三个会输出「figs. 1 to 3」。\crefrange{first}{last} 则是 只写两端标签 就得到同样缩约的命令。

前置的词可以用 \crefname{type}{singular}{plural} 重新定义（首字母大写的版本是 \Crefname）。本地化也用这个办法：中文里单数复数给同一个词即可，例如 \crefname{figure}{图}{图}。若希望全文始终大写，加载时带上 capitalise 选项。反过来，在只想要编号、不要类型词的场合——括号内、表格单元格里——用 \labelcref{key} 就能得到与普通 \ref 完全相同的结果。

关于加载顺序有一条绝对规则：cleveref 要放在 hyperref、varioref 和 amsmath 之后，这三者它都会检查。cleveref 依靠检测 hyperref 已定义的内容来构建自己的命令，反过来根本行不通。所幸它不会悄悄坏掉——TeX Live 2024 附带的 cleveref.sty 会在 \begin{document} 处检查顺序，并以下面的信息明确中止。但同时使用 varioref 时情况不同：cleveref 手册规定顺序为 varioref → hyperref → cleveref，并提醒顺序弄错时，引用可能指向完全不相干的对象，而输出和日志里都不会出现任何警告。

\usepackage{varioref}
\usepackage{hyperref}
\usepackage{cleveref}   % always last of the three

% If cleveref is loaded before hyperref, TeX Live 2024 stops with:
%   ! Package cleveref Error: cleveref must be loaded after hyperref!.
%   Package load order is wrong: load cleveref *after* hyperref.

\cref{fig:a,fig:b,fig:c}       % figs. 1 to 3   (consecutive: compressed)
\cref{eq:euler,eq:max}         % eqs. (1) and (4)
\Cref{sec:intro} explains ...  % Section 1 explains ...
\labelcref{fig:a}              % 1   (number only, like \ref)

% with \usepackage[noabbrev]{cleveref} the same lines give
%   figures 1 to 3 / equations (1) and (4)

varioref — 写成「下一页的图」而非光秃秃的页码

在装订成册的文档里，「下一页的图 3」比机械的「第 12 页的图 3」读起来自然，若两者同处一个跨页，「对页的图 3」更好。varioref 的 \vref{key} 会输出与 \ref 相同的编号，然后 查看引用处与目标的页面关系，补上合适的措辞；同页时则什么也不加。若只需要页码提示，用 \vpageref{key}，它的两个可选参数分别设定同页时的措辞和不同页时的引导语。

这份聪明是有代价的。\vref 输出什么，取决于排版结果——东西落到了哪一页——而它输出内容的长度本身又可能挪动分页位置，因此有时需要 额外一次编译 才能稳定下来。日志里反复出现「Rerun to get cross-references right」时，多半就是这个原因。与 cleveref 同时加载时，\vref 会改用 cleveref 的格式排版，所以两者都用的话，在遵守顺序（varioref → hyperref → cleveref）的前提下，把整个文档统一到 \cref 一系会更省心。

\usepackage{varioref}

See~\vref{fig:leaf}.
%   same page : See figure 3.
%   next page : See figure 3 on the next page.
%   far away  : See figure 3 on page 12.

The data is summarised \vpageref[above][]{tab:data}.

如果拿不定主意，实用的答案是 把整个文档统一到 cleveref。类型词、单复数、多项引用和范围它都自动包办，于是「明明是表却写成 Figure~\ref{tab:...}」这类经典失误在原理上就不可能发生。\ref 与 \pageref 对理解机制仍不可或缺，\eqref 在数学中、\vref 在装订成册的作品中，也都依然当用。下表汇总了各个命令分别输出什么。