类别码与 \makeatletter

美元符号本身并没有开启数学模式的能力。把这个职责交给 !，!x_1! 就会被当成公式排出来、一个错误也不报——因为决定角色的不是字符本身，而是它的 类别码（catcode），即TeX 给每个读入字符所附的 0 到 15 的编号。这一个编号就能解释：为什么 LaTeX 的内部命令里到处是 @，\makeatletter 究竟做了什么，以及 % 为什么会一声不吭地吞掉整行的剩余部分。本页梳理全部十六个类别码、改写它们的原语 \catcode、\makeatletter 只有一行的真身，以及如何用 \string、\meaning、\detokenize 看清一个记号的本来面目。

十六个类别码，以及默认哪个字符属于哪一个

类别码共有 十六种，编号 0 到 15，TeX 在把源码切成 记号（token） 的阶段使用它们——那是词法分析，远早于任何排版工作。一个字符是命令的开头、是打开分组，还是仅仅一点墨迹，全由这个编号决定。日常会留意的是：开始命令的 0、分组的 1 和 2、数学的 3、表格单元格分隔的 4、构成段落的行尾 5、宏参数标记 6、上下标的 7 和 8、组成正文的 10／11／12，以及注释的 14。

请留意第 9 行。多数资料写「catcode 9 是空字符」，但那说的是 裸 TeX（IniTeX）。在 TeX Live 2024 的 LaTeX 中扫描全部 256 个字符，会发现 没有任何一个字符的 catcode 是 9：latex.ltx 把空字符移到了 15（无效），而把 9 空着——它是十六个类别中唯一没有默认住户的一个。只有自己动手分配字符，它才开始工作。listings 宏包正是这么做的：在读取自身源码期间把制表符、换页符和回车降到 catcode 9，从而直接跳过它们。另一端，控制字符 1–31 被设为 活动（13），则是现代 LaTeX 处理 UTF-8 输入的机制。

用 \catcode 改写字符的角色

字符与类别的对应并非固定，原语 \catcode 可以改写它。写法是「\catcode 之后跟一个反引号、目标字符、=、新的编号」；读取则只需在 \the\catcode 后接同样的反引号和字符。下面这段代码把数学模式切换的职责（catcode 3）交给了 !：错误为零，!x_1! 和 !\frac{a}{b}! 都被正确地排成公式。$ 之所以能开启数学模式，不是因为它是美元符号，而是因为它的 catcode 是 3——这套机制的妙处，正在于一行代码就能证明这一点。

\documentclass{article}
\begin{document}
\catcode`\!=3          % hand the math-shift job to "!"
!x_1! and !\frac{a}{b}!  % typeset as mathematics, zero errors
\catcode`\!=12         % give it back to "other"
Back to normal!

% read a catcode back
\the\catcode`\$        % 3
\the\catcode`\%        % 14
\the\catcode`A         % 11
\end{document}

不过，这是一件 过于有效 的工具。类别在分词时就被冻结，因此从改写的那一刻起，之后读入的一切含义都会改变；忘记恢复，坏掉的往往是毫无关联的地方。而且这种改写在离开分组（{ } 或环境）时会自动还原，于是又会产生「导言区有效、正文却无效」的困惑。请把裸写 \catcode 当作最后手段，只在无法套用下文 \makeatletter 这类固定包装时才用。当然，宏包本身经常这么做：载入 babel 的德语选项后，" 会变成 catcode 13（活动字符），于是 "a 得到 ä，双引号加反引号得到 „。德语文档里引号行为忽然改变，原因就在这里。

% 为何一声不吭地吃掉一行，& 为何报错

答案就在 catcode 的数值本身。% 的 catcode 是 14——意思是「从这里到行尾全部丢弃」——而且它 从不报告自己丢弃了什么。所以写下 Only 50% of the sample survived.，下一行接 The rest did not.，输出会是 Only 50The rest did not.，错误和警告都是零。正文少了一行，日志却一片寂静。这是整个 LaTeX 中最难发现的事故之一；正文里的百分号务必转义为 \%。相比之下，& 的 catcode 是 4（表格单元格分隔），写在表格之外会立刻得到 ! Misplaced alignment tab character &.。而 $ 的 catcode 是 3，忘记闭合就会得到 ! Missing $ inserted。

% catcode 14: everything after % on this line is discarded, silently
Only 50% of the sample survived.
The rest did not.
% output: "Only 50The rest did not."  -- no error, no warning

% catcode 4 outside a table:
Smith & Sons   % ! Misplaced alignment tab character &.

% the fix in running text:
Only 50\% of the sample survived.

catcode 11 决定命令名在哪里结束

TeX 的 控制词（control word），也就是 \section 这样的具名命令，被识别为 一个 catcode 0 的字符（通常是 \）后接一串 catcode 11 的字符。通常只有 catcode 11 的字符能组成命令名，这正是 \section 的名字在 section 处结束的原因：紧随其后的空格或 { 不是 catcode 11。数字和标点是 catcode 12（其他），所以 \a2 会被读成「命令 \a 加上字符 2」。反过来利用这一点，就得到了关键的一步：把某个字符的 catcode 改成 11，它就能进入命令名。下一节 @ 的故事正是从这一步开始的。（控制词后空格消失、\LaTeXlogo 变成未定义命令等用户层面的后果，由「语法规则」页面负责。）

\makeatletter 是什么——真身只有一行

\makeatletter 所做的仅仅是把 @ 的 catcode 设为 11，配对的 \makeatother 也仅仅是把它设回 12。在 latex.ltx 中，两条定义各自就是一行，名字已经说明了一切：让 @ 成为字母，让 @ 成为其他。为什么需要它？因为 LaTeX 的内核与宏包里满是名字含 @ 的 内部命令：\@startsection（组装节标题）、\@ifnextchar（查看下一个记号以分支）、\@maketitle（标题区域），还有数以百计的其他命令。\usepackage 与 \documentclass 在读取 .sty 或 .cls 时会把 @ 切换为 catcode 11，所以在宏包内部这些名字能被解析成单个命令。

% the whole of \makeatletter and \makeatother, in the LaTeX kernel
\DeclareRobustCommand\makeatletter{\catcode`\@11\relax}
\DeclareRobustCommand\makeatother{\catcode`\@12\relax}

% two abbreviations you will meet in internal code (note the values)
\newdimen\p@ \p@=1pt   % 1pt -- "this saves macro space and time"
\newdimen\z@ \z@=0pt   % 0pt, and doubles as the integer 0

在普通文档中，@ 的 catcode 是 12（其他）。因此在正文或导言区直接写 \p@，TeX 会读成「命令 \p 加字符 @」，并以 ! Undefined control sequence. 停下。错误显示在 l.3 Value: \p 处断开，下一行以 @ 开头——命令名在哪里被截断，是肉眼可见的，记住这个症状能大大加快诊断。顺带一提，\p@ 是 1pt，表示 0pt 的是 \z@，把两者弄混是常见的失误。latex.ltx 中至今保留的注释说这个缩写「节省宏空间和时间」，那是内存珍贵年代的遗物，却原封不动地一直运行到今天。

! Undefined control sequence.
l.3 Value: \p
             @
The control sequence at the end of the top line
of your error message was never \def'ed.

什么时候需要 \makeatletter，什么时候绝不能写

实用的判断只需一句话：只有在 .tex 文档中（几乎总是导言区）书写名字含 @ 的内部命令时才需要它。此外一律不写。尤其 不要写在 .sty／.cls 里面——读取这些文件期间 @ 已经是 catcode 11，因此没有必要，而多余的 \makeatother 还可能破坏后续处理。典型用途是在导言区对类定义的内部宏做小幅调整。下面的例子在包装内部重新定义了排布标题区域的内部宏 \@maketitle。

\documentclass{article}

\makeatletter                 % @ becomes a letter here
\renewcommand{\@maketitle}{%   % redefine the internal title block
  \begin{center}
    {\LARGE\bfseries \@title}\par
    \vspace{1ex}{\large \@author}\par
  \end{center}%
}
\makeatother                  % ... and goes back to "other" here

\title{Category codes}
\author{A. Author}
\begin{document}
\maketitle
\end{document}

陷阱有两个。第一个是 忘记写 \makeatother：漏掉它，@ 会以字母状态延续到后面的一切，破坏正文中的邮箱地址或任何特殊处理 @ 的宏包。请把它变成机械动作——用一个开，就用另一个关。第二个是没有先确认 能否完全不碰内部命令。如果可以用 \renewcommand 覆盖公开命令，或者已有正规宏包提供所需功能，那条路总是更安全。内部命令会随宏包更新而不打招呼地改变，你在 \makeatletter 里写下的重定义会在下一个版本悄悄失效。

为什么 \verb 与 listings 必须动 catcode

要原样打印源码，只有一条路：让特殊字符不再特殊。\verb 的定义正是这么做的，verbatim 环境则对整块内容做同样的事。它对 \dospecials 列出的十一个字符——空格、\、{、}、$、&、#、^、_、%、~——施加 \@makeother，把它们统统降为 catcode 12（其他）。接着 \@noligs 反其道而行，把另外六个字符设为 catcode 13（活动字符）：反引号、<、>、,、撇号和 -，以免两个反引号被悄悄合成弯的开引号。也就是说，\verb 同时在降低和抬高 catcode；由于整体包在 \bgroup 中，结束时一切会自动还原。

\def\@makeother#1{\catcode`#1=12\relax}
\def\dospecials{\do\ \do\\\do\{\do\}\do\$\do\&%
  \do\#\do\^\do\_\do\%\do\~}

\def\verb{\relax\ifmmode\hbox\else\leavevmode\null\fi
  \bgroup                                  % everything below is local
    \verb@eol@error \let\do\@makeother \dospecials   % all 11 -> catcode 12
    \verbatim@font\@noligs                 % ` < > , ' - -> catcode 13
    \language\l@nohyphenation
    \@ifstar\@sverb\@verb}

由此可以推出 \verb 那条著名的限制：\verb 不能用在其他命令的参数里。参数在宏被调用之前就已分词，等 \verb 去改 catcode 时早已太迟。\footnote{code: \verb|\foo_bar|} 会先给出 ! Undefined control sequence.（因为 \foo 被读成了真正的命令），再给出 ! Missing $ inserted.（因为 _ 被读成了下标）；放进宏参数里还会附送 ! Extra }, or forgotten $.。出路是 listings 的 \lstinline：\section{A \lstinline|x_1| heading} 能零错误编译，甚至能原样进入目录。listings 内部四十多处 catcode 操作，正是为了承担这一类问题。

% BREAKS: the argument is tokenized before \verb can act
\footnote{code: \verb|\foo_bar|}
%   ! Undefined control sequence.   <argument> ... \verb |\foo
%   ! Missing $ inserted.

% WORKS: \lstinline survives inside a moving argument
\usepackage{listings}
\section{A \lstinline|x_1| heading}   % zero errors, reaches the ToC

看清记号的真身 — \string、\meaning、\detokenize

如果类别码听上去仍显抽象，最快的解药就是 直接看一眼。\meaning 会把 catcode 用词语说出来：\meaning A 给出 the letter A（catcode 11，故称 letter），\meaning 7 给出 the character 7（catcode 12），\meaning\bgroup 给出 begin-group character {。一句话就说清了某个字符此刻的身份。\string 把命令拆成包含反斜杠的字符，\detokenize 把整个参数变成可打印的文本——输出中 # 变成 ##，是为了作为记号列表保持忠实。调试时 \show 也很好用：它把定义写进日志并暂停。

最后说一点实务上的直觉。遇到「偏偏只有这个字符不对劲」的问题，先用 \the\catcode 查一下它的编号。babel、csquotes、listings、hyperref 这类宏包都会为了各自的目的把特定字符设为活动字符或降到 catcode 12。如果症状局限在某一个字符上，十有八九是类别码在作怪。 一旦确认，修法就收敛为三选一：改变载入顺序、避开该字符，或使用宏包已提供的正规出口（\%、给 \verb 换一个定界符、\lstinline）。