其他绘图系统

“PSTricks 是过去的工具，TikZ 才是现役” —— 这是常见的说法，但翻开 TeX Live 2024 的内容会发现事情正好相反。其中附带的 PSTricks 是 2024 年 2 月 2 日的 v3.19c，至今仍在发布新版。而以交换图经典工具闻名的 Xy-pic，最后一次更新是 2013 年 10 月 6 日，而且每次编译都会把这个日期写进日志。本页将梳理 LaTeX 中除 TikZ 之外可用的四种绘图系统——调用 PostScript 的 PSTricks、图式老将 Xy-pic、作为独立语言的 Asymptote，以及继承 METAFONT 血脉的 MetaPost——并以各自的 输出路径 为主线。因为真正区分它们的，与其说是表现力，不如说是能用哪个引擎、以何种方式排版。

如果是新画一幅图，默认仍该选 TikZ 吗

是的，几乎必然选 TikZ。理由不在功能，而在 没有摩擦。TikZ 可在 pdflatex、lualatex、xelatex 中运行，不需要外部程序，也不需要额外的编译阶段。本页讨论的四种系统，每一种至少会打破其中一个条件：PSTricks 无法在 pdfLaTeX 下直接运行，Asymptote 需要外部二进制程序和三步编译，MetaPost 以 LuaLaTeX 或专用程序为前提，Xy-pic 虽然能跑，但自 2013 年起停止更新。尽管如此，了解其他系统仍有价值，原因有三：维护既有文档、正式的 3D，以及 ConTeXt 这类特定生态。

PSTricks：三十年历史，至今仍在更新

PSTricks 是一组宏，可从 TeX/LaTeX 源码中直接调用 PostScript 的绘图功能。pstricks.tex 开头的版权声明本身就讲清了这个体系的历史：Timothy Van Zandt（1993、1994、1999）、Denis Girou（2000–2003），以及 Herbert Voß（2004 年至今）。经三代维护者相传，TeX Live 2024 中的版本是 v3.19c，日期为 2024 年 2 月 2 日。PSTricks 古老的是它的设计前提，而不是它的维护状况。

它的语法大多可以从名字看出功能。\psline 画线或折线，\pscircle 画圆，\psframe 画矩形。坐标写在圆括号里，如 \psline(0,0)(3,2)；圆用中心和半径指定：\pscircle(2,2){1}。整幅图放在 pspicture 环境 中，打开时给出左下角和右上角坐标：\begin{pspicture}(0,0)(4,3)。要把任意对象放到某个坐标，用 \rput；若还需要角度或偏移，则用 \uput。线型、箭头和颜色统一写在方括号选项中。

\begin{pspicture}(0,0)(4,3)
  \psframe(0,0)(4,3)
  \psline[linewidth=1pt]{->}(0,0)(3,2)
  \pscircle(2,1.5){1}
  \rput(2,1.5){$O$}
\end{pspicture}

这幅图画出宽 4、高 3 的边框，从原点向 (3,2) 拉一条带箭头的线段，叠上一个以 (2,1.5) 为中心、半径 1 的圆，并在圆心放一个 O。它的扩展包也很丰富：pst-plot（函数图）、pst-node（节点与连线）、pst-3dplot（3D）等等。就表现力而言它至今仍然强大。问题集中在下一节的那一点上。

PSTricks 在 pdfLaTeX 下报的错，以及绕过的办法

在第一条绘图命令处会出现 ! Undefined control sequence.。在 TeX Live 2024 上把带 \usepackage{pstricks} 的文档交给 pdflatex，它在 \psframe 那一行停下："! Undefined control sequence. \c@lor@to@ps ->\PSTricks _Not_Configured_For_This_Format"。展开过程中出现了一个名为 \PSTricks_Not_Configured_For_This_Format 的标记记号，它是 有意保持未定义的，用名字本身喊出“此格式不受支持”。麻烦之处在于，在 nonstopmode 下它会重复报错几十次，却 仍然把 PDF 生成到底——一个恰好缺了那幅图的 PDF。

原因就在输出机制本身。PSTricks 的设计是把绘图输出为 PostScript 的 \special（嵌入 DVI 的特殊指令），而直接生成 PDF 的 pdflatex 没有承接它们的地方。出路有三条，三条都在 TeX Live 2024 上实测可用。

# route 1: the classic DVI path
latex figure.tex
dvips figure.dvi -o figure.ps
ps2pdf figure.ps

# route 2: stay in pdflatex, let auto-pst-pdf shell out
pdflatex --shell-escape figure.tex

# route 3: just use xelatex - no extra package needed
xelatex figure.tex

路线 1 是经典做法，也最可靠：latex 生成 DVI，dvips 转成 PostScript，ps2pdf（Ghostscript）再转成 PDF。这里有一条实测提醒——Ghostscript 10.03.0 在过程中输出了 "WARNING: Transparency operations ignored - need to use -dALLOWPSTRANSPARENCY"。这意味着 PSTricks 的透明度（opacity 一族）会被 悄悄丢弃，如果用了半透明填充，务必亲眼检查结果。

路线 2 保持 pdflatex 的流程，把幕后工作交给 auto-pst-pdf。机制很朴素：在 pdflatex 运行过程中，auto-pst-pdf 会 以子进程启动另一个 LaTeX，只把 PSTricks 部分经 PostScript 渲染成 <文档名>-pics.pdf，再并入。实际运行时日志会显示 "auto-pst-pdf: Auxiliary LaTeX compilation"，可以看到路线 1 正在背后运转。既然要启动外部进程，--shell-escape 就是必须的；忘了加，它会相当直白地训你："! Package auto-pst-pdf Error: auto-pst-pdf will not work!"。若同一文档中还要混用 PNG 或 JPEG，这条路线很合适。

路线 3 最出人意料，也最简单：源码一个字符都不改，直接交给 xelatex 即可。不需要额外安装任何宏包——TeX Live 2024 中 PSTricks 本身就附带了配置文件 tex/generic/pstricks/config/xdvipdfmx.cfg，在 XeLaTeX 下运行时会自动载入（日志里确实会出现这个文件名）。由于 XeLaTeX 内部经过 DVI 系的中间格式，PostScript 的 \special 能顺畅通过。如果整篇文档本来就用 XeLaTeX 排版，那么可以说 PSTricks 根本不需要什么“变通办法”。

Xy-pic 与 \xymatrix：仍能运行，但停在 2013 年

Xy-pic（包名 xy）是一个通用宏包，用于排版图与图式，可在 plain TeX、LaTeX 和 AMS-LaTeX 下工作。它不需要特殊的输出路径——pdflatex 直接就能处理。有意思的是，它每次编译都会把自己的身世写进日志；在 TeX Live 2024 上它打印 " Xy-pic version 3.8.9 <2013/10/06>"。xy.tex 的版权声明写着 1991 年至 2013 年，Kristoffer H. Rose 等。二十多年的使用，加上十多年没有更新，浓缩在这一行里。

实际用得最多的是用于 交换图 的 \xymatrix。这是一种像矩阵一样排布图式的模式：和 tabular 一样，条目用 & 分隔，行用 \\ 换行。对象之间的箭头用 \ar 绘制，目标以方向键给出——[r] 向右，[l] 向左，[u] 向上，[d] 向下，像 [rd] 这样组合表示右下相邻的格。箭头标签沿用数学上下标的记法：^ 把标签放在箭头上方（沿箭头方向看是左侧），_ 放在下方（右侧）。通常用 \usepackage[all]{xy} 载入，其中 [all] 启用标准功能集。

\usepackage[all]{xy}
% ...
\[
\xymatrix{
  A \ar[r]^{f} \ar[d]_{\alpha} & B \ar[d]^{\beta} \\
  C \ar[r]_{g}                  & D
}
\]

这会得到一个四角为 A、B、C、D 的交换正方形：上边是向右的 f，左边是向下的 α，右边是向下的 β，下边是向右的 g。图式本身也是数学内容，所以放在陈列数学环境中。如果是新画交换图，今天的现代选择是基于 TikZ 的 tikz-cd——处理曲线、复杂箭头和多行图式更容易，错误信息也读得懂。本节知识的价值在于 读写已经用 Xy-pic 写成的稿件。两者的比较属于交换图那一页。

Asymptote：编译器就装在 TeX Live 里的语言

一听说需要外部程序就会紧张，但 Asymptote 的 asy 就在 TeX Live 里。查看 TeX Live 2024 的可执行文件目录，一个约 45 MB 的 asy 与 mpost、mf 并排；asy --version 回答 "Asymptote version 2.88"，并在已启用选项中列出 "V3D 3D vector graphics output"。也就是说，装好 TeX Live 就已经拥有 Asymptote，无需另外获取。这正是它与 gnuplot 的决定性区别——gnuplot 不在 TeX Live 中，必须自己安装。

Asymptote 不是一组 TeX 宏，而是一门 独立的矢量图形语言。它采用类 C++ 语法，作为具备变量、函数、循环和类型的真正编程语言来描述图形。它的设计意图也很有意思：官方手册把 Asymptote 定位为受 MetaPost 启发的语言，同时标榜更整洁的类 C++ 语法。最特别的是它决定尺寸的方式。当 size(6cm) 这样的整体尺寸与不随之缩放的元素（标签、箭头）发生冲突时，Asymptote 会用 单纯形法，也就是线性规划，来求解这些约束。用线性规划来决定图有多大的绘图语言，可不多见。

要嵌入 LaTeX，先载入 \usepackage{asymptote}，把图形代码写在 asy 环境 中。由于其机制，编译需要 三步——在 TeX Live 2024 上实测的过程是这样：首先运行 pdflatex，asy 环境的内容会被写出为 <文档名>-1.asy，同时给出警告 "Package asymptote Warning: file ... not found on input line 11."——图还不存在，这很自然。接着运行 asy <文档名>-1.asy 生成 <文档名>-1.pdf，再运行一次 pdflatex，这个 PDF 就被引入了。手动执行这三步很繁琐，实际使用中交给 latexmk。

pdflatex document        # writes document-1.asy
asy document-1.asy       # produces document-1.pdf
pdflatex document        # includes it

# or, in one go:
latexmk -pdf document

// a standalone .asy file, run with:  asy figure.asy
import three;
size(6cm);
draw(unitcube);
draw(O--X, red,   Arrow3);
draw(O--Y, green, Arrow3);
draw(O--Z, blue,  Arrow3);

这段代码导入 three 模块（3D 功能），画出一个单位立方体，并从原点沿 x、y、z 轴方向画出红、绿、蓝三维箭头。图不必嵌入文档：像这样写成 独立的 .asy 文件，用 asy figure.asy 单独运行，就能输出 PDF、EPS、SVG、WebGL，或可嵌入 PDF 的 3D 格式。由于标签由 TeX 排版，图中的数学内容与正文字体一致。对于 正式的 3D——带坐标轴的立体与曲面——Asymptote 比 TikZ 自然得多。它还附带 GUI 前端 xasy，可交互式绘图并导出 .asy 源码。

MetaPost：用 LuaLaTeX 完全不需要外部程序

MetaPost 是 John Hobby 对 Knuth 的 METAFONT（描述字体的语言）所作的改造，并把输出改为 PostScript。它继承了 METAFONT 由点和方向求解并绘制平滑曲线的记法（Hobby 算法），并允许把坐标 以方程的方式声明式地 写出。经典用法是把它当独立语言使用：把 .mp 文件交给专用程序 mpost，得到 EPS。

不过在现代 LaTeX 中，这个外部调用并不必要。载入 luamplib 宏包后，就可以在 mplibcode 环境 中直接写 MetaPost。LuaTeX 内置了 MetaPost 引擎，即 mplib 库，因此既不需要另外启动 mpost，也不需要 --shell-escape。在 TeX Live 2024 上把下面的示例交给 lualatex，没有调用任何外部进程就一次生成了 PDF。本页所讲的四种体系中，完全不需要额外外部工具的只有经由 LuaLaTeX 的 MetaPost。

% compile with lualatex
\documentclass{article}
\usepackage{luamplib}
\begin{document}
\begin{mplibcode}
beginfig(1);
  draw fullcircle scaled 2cm withpen pencircle scaled 1pt;
  draw (-1cm,0)--(1cm,0);
  draw (0,-1cm)--(0,1cm);
endfig;
\end{mplibcode}
\end{document}

mplibcode 里的内容是纯 MetaPost。beginfig(1) … endfig 划出一个图；它用 1pt 的笔画出放大到直径 2cm 的单位圆，再各画一条水平和垂直直径。fullcircle、pencircle、scaled 都属于 MetaPost 的内置词汇。它生态中的关键是 MetaFun 这一高功能格式，排版系统 ConTeXt 正是通过它深度集成 MetaPost。若使用 ConTeXt，MetaPost 就是核心作图手段；若主要使用 LaTeX，则日常用 TikZ，需要 METAFONT 式的曲线描述时再用 MetaPost。

四种体系比较：何时选哪一个

按输出路径和引擎排列后，选择的依据就清楚了。维护既有文档 时，应能读写该文档原本使用的体系。需要 3D 图形 就选 Asymptote。使用 ConTeXt 就用 MetaPost（经 MetaFun）。要画 新的交换图，选 tikz-cd 而非 Xy-pic。至于不属于上述任何情况的大多数作图，最稳妥的判断是用 TikZ——不需要外部工具，也不需要特殊输出路径。