expl3 / LaTeX3 层

expl3（“expl-three”）是从内部支撑现代 LaTeX 的编程语言。它源自曾被称为“LaTeX3”的项目，如今已默认载入 LaTeX 内核。它远远超出 \newcommand 能写的范围，提供变量、数据结构、整数运算，甚至浮点数，是 xparse、siunitx、fontspec 等宏包赖以构建的正式编程层。本页会介绍如何切换到它的语法、它独特的命名规则，以及核心模块。

expl3 是什么

TeX 本质上是宏处理器：用 \def 或 \newcommand 定义命令（宏）。但编写大型宏包时，TeX 原始原语的一致性不足，展开控制和变量处理常常变成手艺活。expl3 给 TeX 与 e-TeX 原语重新命名，系统化地区分函数和变量，并让每个函数的参数类型显式可见。它是 LaTeX Project 多年整理出的，某种意义上既是 LaTeX 的标准库，也是它的编程语言。

实践中有一个重要事实：现代 LaTeX 内核默认载入 expl3。官方 interface3 手册明确写道：“在最新的 LaTeX 2ε 内核中，这些材料作为格式的一部分载入。” 因此已不再需要写 \usepackage{expl3}。多数用户并不直接编写 expl3，而是通过 xparse（\NewDocumentCommand）以及 siunitx、fontspec、l3keys2e 等建立在它之上的宏包间接使用。

切换语法 — \ExplSyntaxOn

expl3 代码写在 \ExplSyntaxOn 与 \ExplSyntaxOff 包围的区域中。在这一区域里，字符的读法（类别码）有两点变化。第一，空格和换行会被忽略，因此可以缩进代码，在记号之间留空，让代码更易读。第二，_（下划线）和 :（冒号）会被当作“字母”，可以出现在命令名中。这是普通 LaTeX 不允许的，也正是 expl3 喜欢使用长而描述性命令名的基础。

因为空格会被忽略，所以 要在输出中产生真正的空格时，需要另一种写法。在 expl3 区域中，半角空格写作 ~（波浪号）。例如想排出“Item: apple”，应写成 Item:~#1，因为裸空格会直接消失。只要掌握这一点，其余部分读写起来就很像普通编程语言。

% expl3 はカーネルに含まれるので \usepackage{expl3} は不要
\ExplSyntaxOn
  % ここでは空白・改行が無視され、 _ と : が命令名に使える
  \tl_new:N  \l_greeting_tl
  \tl_set:Nn \l_greeting_tl { Hello,~world! }
  \tl_use:N  \l_greeting_tl
\ExplSyntaxOff

命名规则与参数签名

expl3 函数名的形式是 \⟨module⟩_⟨description⟩:⟨arg-signature⟩。第一个 _ 之前是 模块名（数据类型或功能领域），: 之前是 描述性名称，: 之后是 参数签名（arg-spec）。例如 \seq_put_right:Nn 中，模块是 seq（序列），描述是 put_right（追加到右端），签名是 Nn。签名中的每个字母表示 在传入该位置的参数之前要如何处理它。

主要参数指定符如下（依据官方 interface3 手册）。N 和 n 最基本，仅凭它们就能做很多事。涉及展开的 x、e、o、f，以及取出变量值的 V、v，可以等熟悉后再逐步掌握。

变量的命名也类似，但开头有 表示作用域的一个字母。l_ 表示 局部（只在当前 TeX 分组内改变），g_ 表示 全局，c_ 表示 常量（值不应改变）。变量名末尾有类型标识，如 _tl（记号列表）、_int（整数）、_seq（序列）、_prop（属性列表）、_clist（逗号列表）、_fp（浮点数）等。因此 \l_my_name_tl 一眼可读为“局部记号列表变量”，\g_counter_int 则是“全局整数变量”。各模块还提供 scratch 变量，即一次性临时变量，例如 \l_tmpa_tl、\l_tmpb_int。

核心模块

expl3 按数据类型分成多个模块，它们都遵循同样的节奏：创建、设置、使用。先看 函数定义。\cs_new:Npn 定义新函数，若同名函数已存在则报错（cs 表示 control sequence）。\cs_set:Npn 也定义函数，但只限当前 TeX 分组内，重新定义也不会报错。二者都使用 :Npn：N 是要定义的函数名，p 是参数文本（#1#2…），n 是函数体（替换文本）。

接着是 记号列表（tl）。这是最基本的变量，可像字符串一样使用。用 \tl_new:N 声明，用 \tl_set:Nn 替换内容（旧内容会被丢弃），用 \tl_use:N 输出到正文。整数（int） 也类似：用 \int_new:N 声明，用 \int_set:Nn 赋值，\int_eval:n 会计算其中的整数表达式并返回结果（例如 \int_eval:n { 2 + 3 * 4 } 得到 14）。

序列（seq） 是可从两端存取的列表，也可用作栈。用 \seq_new:N 创建，用 \seq_put_right:Nn 在右端追加元素，用 \seq_map_inline:Nn 依次处理所有元素；后者会把每个元素作为 #1 传给你的代码。属性列表（prop） 则是字典，也就是键值映射。用 \prop_new:N 创建，用 \prop_put:Nnn 存入键和值（Nnn 表示“变量、键、值”三个参数）。

逗号列表（clist） 顾名思义，用来处理逗号分隔的值序列，所有命令都以 \clist_ 开头（如 \clist_new:N、\clist_set:Nn）。最后是 浮点数（fp）。\fp_eval:n 会计算包含小数的表达式，并支持 sin、sqrt、pi 等多种科学函数（例如 \fp_eval:n { sqrt(2) } 或 \fp_eval:n { 2 * pi }）。重点是区分它和只能处理整数的 \int_eval:n。

小例子 — 函数与序列

把以上内容组合起来看看。下面的例子用 \cs_new:Npn 定义函数 \example_add:n，它向序列中添加一个项目；调用几次后，再用 \seq_map_inline:Nn 把所有项目按列表形式输出。请注意，因为位于 \ExplSyntaxOn 区域内，命令名中包含 _ 和 : 也可以正常书写。

\documentclass{article}
\begin{document}
\ExplSyntaxOn
  % シーケンスを 1 個用意する
  \seq_new:N \l_example_fruits_seq

  % 「右端に 1 項目追加する」関数を定義する
  \cs_new:Npn \example_add:n #1
    { \seq_put_right:Nn \l_example_fruits_seq {#1} }

  % 何度か呼ぶ
  \example_add:n { apple }
  \example_add:n { banana }
  \example_add:n { cherry }

  % 全項目を出力する（各項目が #1 に入る。 ~ は空白）
  \seq_map_inline:Nn \l_example_fruits_seq
    { Fruit:~#1 \par }
\ExplSyntaxOff
\end{document}

编译后会分别输出三行：“Fruit: apple”、“Fruit: banana”、“Fruit: cherry”。\cs_new:Npn 中的 #1 是被定义函数的参数，而 \seq_map_inline:Nn 中的 #1 是正在遍历的每个元素；二者都按 n 型（花括号内容）处理。注意 Fruit:~#1 中的 ~：若换成普通空格，空格会被忽略，结果会粘成 “Fruit:apple”。

实际使用方式

普通文档写作几乎不需要直接写 expl3。但一旦开始 编写宏包或类，expl3 如今已是事实标准。常见搭配是用 \NewDocumentCommand（xparse）接收面向用户的命令，再用 expl3 实现内部处理。需要区分两件事：xparse 的参数指定（m、O{...}、s 等“文档层”参数）与 expl3 的参数签名（N、n 等“编程层”处理指定）不是同一个概念。前者在 xparse 页面详细说明。

学会 expl3 后，许多只用 \newcommand 难以清楚表达的处理就能写得明晰。需要记住的要点如下：

• 代码必须包在 \ExplSyntaxOn … \ExplSyntaxOff 中。区间内空格会被忽略；需要输出空格时使用 ~。
• 它已包含在内核中，因此不需要 \usepackage{expl3}；在 .sty 中可在宏包声明后直接书写。
• 函数名为 \⟨module⟩_⟨description⟩:⟨signature⟩；变量名为 \⟨scope⟩_⟨name⟩_⟨type⟩，作用域为 l_ / g_ / c_。
• 不要凭空发明命令名。命名非常严格，官方 interface3 手册（texdoc interface3）是权威资料。