LaTeX3 教程（一）——背景知识

LaTeX3 教程这个系列的文章其实早已动笔（开始于 2017 年），但一直只挖坑而不填土。作为初学者，错误在所难免，恳请各位不吝赐教。

历史回顾 ​

众所周知，Donald E. Knuth 在排版他的传世巨著 The Art of Computer Programming 时，忍受不了当时的数字排版技术，于是一咬牙，花了近十年开发出了伟大的排版软件 TeX。

然而这个 TeX 本身是为 Knuth 自己服务的，普通人用起来会比较吃力。上世纪 80 年代，同样身为计算机科学家的 Leslie Lamport 教授开发出了 LaTeX（Lamport TeX），隐藏了一些排版细节，成为了一套结构化的文档语言。Lamport 也是在准备他的著作 The Great American Concurrency Book 时发明了 LaTeX；可等有了 LaTeX，这本书却懒得动笔了……^[1]

1992 年，LaTeX 2.09 发布，之后 Lamport 便退居二线，开发工作交给由 Frank Mittelbach 领导的 LaTeX3 团队 负责。顾名思义，这个团队就是要代表 LaTeX 行业的发展要求，代表 LaTeX 界最新技术的前进方向，代表 LaTeX 最广大用户的根本利益。于是他们埋头苦干了两年，搞了个大新闻——推出了 LaTeX 2ε。

「LaTeX 2ε」这个名字，一看就知道来源于微积分里面的 \varepsilon-\delta 语言。「2ε」比 2 大，但是作为一个无穷小量，离 3 却还有着十万八千里。因此过了二十多年，LaTeX3 的正式发布依然还是遥遥无期。

LaTeX 2ε 的不足 ​

言归正传，我们现在要来聊一聊 LaTeX 2ε 到底有什么不足，以至于非得另起炉灶，建立一个全新的版本。

用户层次 ​

要完成高质量的排版，就需要对格式进行精确地控制。然而，很多时候格式控制却没有提供简单易用的接口，往往需要手动修改内部定义。比如要使脚注中的编号行内居中，就需要这么做：^[2]

\makeatletter
\renewcommand\@makefntext[1]{%
  \hspace*{-2em}%
  \parindent 0em%
  \noindent
  \hb@xt@ 1.8em{\hss
    \@thefnmark. }%
  #1}
\makeatother

一个简单的例子尚且如此，稍微复杂一些的就需要使用各种补丁、钩子，以及种种肮脏技巧，显得十分不优雅。

另外的办法就是借用别人造好的轮子，调用各种各样的宏包。后果便是，一旦文章写长了，导言区就会成为宏包集锦，一堆 \usepackage，外加各种奇技淫巧般的设置。

当然，针对这个问题，解决方案似乎已经有现成的。比如 KOMA-Script 或者 memoir 文档类（国内用的人不是很多），它们大致把一些常用功能集中在了一起，用户接口也比较统一。

编程层次 ​

另一方面，LaTeX 2ε 缺乏良好的编程界面，简单的流程控制语句也相当繁琐和低效。更不用提丧心病狂的宏展开：^[3]

\def\CTEX@replacecommand#1#2#3{%
  \expandafter\expandafter\expandafter\let\expandafter
    \csname #1#3\expandafter\endcsname
    \csname #2#3\endcsname
  \expandafter\expandafter\expandafter\def\expandafter
    \csname #2#3\expandafter\endcsname
    {\csname #1#3\endcsname}}

而且，很多时候 LaTeX 2ε 中的编程是 TeX、带注释的 LaTeX、不带注释的 LaTeX 的混合，还会从奇奇怪怪的宏包里面弄来奇奇怪怪的东西。命名也常常随意且风骚，最后的结果就是可读性与可维护性很差，搞不好还会遇到各种冲突。

内容 vs 格式 ​

更加重大的问题还在于，LaTeX 2ε 并没有很好地实现内容与格式分离的原则。

刚才提到，Knuth 十年磨一剑最终推出的 TeX，尽管号称「排版神器」，但作者对字体、字号、对齐，甚至断行分页算法等方方面面都要了解，也只有神人才能驾驭得了。而之后，Lamport 不仅考虑了天才的个人奋斗，而且兼顾了凡人的历史进程。他的 LaTeX 把众多排版细节用「傻瓜式」的命令封装起来，因而一经推出便风靡全球。

所谓「内容与格式分离」，在 LaTeX 的语境中，就是尽量使用带有语义的命令来进行标记，而不是直接规定文本的样式。比如：

• 通过指明 \documentclass 是 article、report 或 book，即表明这是篇幅较短的文章、篇幅中等的报告，或篇幅较长的书籍。LaTeX 会据此定义不同的样式（包括章节标题、页眉页脚等），而无需作者操心。
• 用 \emph 而非 \textit 表示强调，这是因为 \emph 就是强调的意思（emphasize），而 \textit 则只是一种格式声明，尽管标准文档类中二者效果基本一致（嵌套的话会有差别）。
• 用 \thanks 而非 \footnote 给出作者的额外信息（常用在 \author 中），它会用特殊符号进行标记，以区分于一般的脚注。

这样的好处，一方面使得文章结构明确，条理清晰；另一方面，一旦有修改格式的需求，操作起来也会比较轻松。

然而事情并不总是那么完美的。LaTeX 的内核很小（latex.ltx 约 8500 行，article.cls 约 600 行，size10.clo 约 200 行），要么缺乏相关功能的支持，要么就是格式写死了没法改。总之，除非完全按照八股文的方式，只要你稍微想做一些格式上的更改，就只有 Google 半天再自己写上一长串啰里啰嗦、不知所云的代码。

时代总是在发展的，Till Tantau 教授在准备他的博士论文答辩时，编写了 beamer 文档类，用以构建幻灯片（为此，他还编写了绘图包 PGF/TikZ，简直令人叹为观止）。就架构而言，beamer 的设计是高度创造性的。它划分了 3 个层次：

• 幻灯片作者只需要了解 frame、theorem、emph 这些与演示相关的命令或环境，只需选择相应的主题（theme），就可以完成制作；
• 模板 / 主题设计师，可以用 \setbeamertemplate、 \setbeamercolor、 \setbeamerfont 等命令来设置各成分的格式，但却无需考虑演示文稿的具体内容；
• 高级设计师（或者 TeX 程序员），对于每种语义成分，又可以独立调控，直接操纵具体实现细节。

这种层次化的界面，自然就把用户分成了三类，于是内容编写、格式设计与具体实现就可以彻底分离。

如果熟悉前端技术，会发现这是极其相似的：

• HTML 负责描述网页内容、标记语义元素；
• CSS 定义样式，规定相应的 HTML 元素应如何显示；
• 浏览器端负责网页的最终渲染，即呈现样式。

从某种程度上说，前端技术的爆炸式发展给了 LaTeX3 相当多的经验。在未来，我们完全有理由相信，HTML/CSS 技术和 TeX 技术可以互相兼容。

LaTeX3 与 expl3 ​

总而言之，LaTeX 2ε 尽管是目前最流行的 TeX 格式，却也有着相当大的局限性，而且这种局限性不是小修小补能够解决的，必须另起炉灶，重新搭建一套新的格式——LaTeX3。

所谓格式，就是对 TeX 提供的原语（primitive）进行封装，以方便使用。常见的有 plain TeX、LaTeX 以及 ConTeXt。LaTeX3 就是下一代 LaTeX 格式。当然，鉴于 LaTeX 2ε 无可撼动的地位，这套格式也不会被放弃，LaTeX3 格式只会作为额外的选择。至于 LaTeX3 什么时候可以真的被做成一个完整的格式文件（.fmt），目前仍是一个未知数。

目前，LaTeX3 的主要开发工作集中在 expl3 宏包中。expl3 提供了丰富的编程接口，我们之后所要介绍的内容，都是围绕这个宏包进行的。expl3 不仅可以运行在 LaTeX 中，也可以在 plain TeX 和 ConTeXt 中使用。

expl3 是 1992 年推出的，至今已经十多年了。目前，有不少宏包已经开始 expl3，也就是使用 LaTeX3 语法了。比如：

• ctex-kit 中的 CTeX、xeCJK、xpinyin、zhnumber 等，当前主要由李清、刘海洋和黄晨成等人开发、维护
• LaTeX3 团队成员 Will Robertson 维护的 fontspec、unicode-math，以及 Joseph Wright 维护的 siunitx
• 本人所编写的 fduthesis 和 zhlipsum

所有已注册的 LaTeX3 宏包（其实是模块名）及其有关信息可以在 l3prefixes 中找到。

个人想法 ​

以下纯属个人观点，不保证其准确、客观。

• 作为标记语言，LaTeX 火候刚好：HTML 略显冗余并不适合直接拿来写文章（尽管有 Emmet），Markdown 简洁清楚但标记元素过于贫乏。相比之下，LaTeX 的标记则灵活的多，要长则长，要短则短。
• 作为编程语言，(La)TeX 实际上非常繁琐，提供可靠、便捷的核心语法及标准库，大概才是 LaTeX3 当下的主要攻坚目标。
• 其实 LaTeX 相当于 HTML+CSS+JavaScript，既要负责标记，又要管理样式，还要能自由、灵活地实现各种奇幻需求。这种灵活性固然使得「内容与格式分离」的原则得不到彻底贯彻，但试想，所有的格式修改，哪怕只出现一次，也要额外做一个语义标记，又是否确有必要呢？毕竟，排版的 edge cases 实在太多了。
• 众所周知，LaTeX 的流行主要是由于强大的数学公式处理能力，以至于一直有人搞不清 LaTeX 和 MathType、MathJax 等的关系。但就这方面而言，LaTeX3 本身并不能改变多少（倒是 unicode-math 很可能成为未来的方向）。
• 相比网页排版有 W3C 和一众厂商的推进，桌面排版也有 Adobe 和微软的巨额投入，TeX 界几乎可以说全凭社区的努力。这显然是杯水车薪的，所以对进度也不必有太多指望。即使 LaTeX3 最后烂尾，目前的成果（expl3 编程接口）也不会付诸东流。

注释 ​

1. ^{^}LaTeX: A Document Preparation System - The Writings of Leslie Lamport
2. ^{^}李清. LaTeX 脚注要怎么在行内垂直居中呢？- 知乎
3. ^{^}2015 年 CTeX 宏集进行了较为彻底的重构，这里给出的代码实际上已经不再使用，但仍然保留在代码库中。参考：刘海洋. 多个 \expandafter 的展开过程是怎样的？- 知乎

参考 ​

• The LaTeX3 Project
• @bryn. Why is LaTeX3 taking so long to come out?
• Joseph Wright. Series on programming LaTeX3
  • Programming LaTeX3: Introduction
  • Programming LaTeX3: Background