Rust语言编译整体流程
前言
上图中间部分为 Rust 代码的整体编译过程，左右两边分别为过程宏和声明宏的解释过程。
Rust 语言是基于 LLVM 后端实现的编程语言。在编译器层面来说，Rust编译器仅仅是一个编译器前端，它负责从文本代码一步步编译到LLVM中间码(LLVM IR)，然后再交给LLVM来最终编译生成机器码，所以LLVM就是编译后端。
编译整体流程
1、词法分析
Rust 文本代码首先要经过「词法分析」阶段。将文本语法中的元素，识别为对 Rust 编译器有意义的「词条」，即token。
2、语法分析
经过词法分析之后，再通过语法分析将词条流转成「抽象语法树（AST）」。
3、语义分析
在得到 AST（Abstract Syntax Tree） 之后，Rust 编译器会对其进行「语义分析」。一般来说，语义分析是为了检查源程序是否符合语言的定义。在 Rust 中，语义分析阶段将会持续在两个中间码层级中进行。
IR：Intermediate Representation，中间代码，是处于源代码和目标代码之间的一种表示形式。
3.1、语义分析 HIR（High-Level IR）阶段
HIR 是抽象语法树（AST）对编译器更友好的表示形式，很多 Rust 语法糖在这一阶段，已经被脱糖（desugared）处理。比如 for 循环在这个阶段会被转为loop，if let 被转为match，等等。HIR 相对于 AST 更有利于编译器的分析工作，它主要被用于 「类型检查（type check）、推断（type inference）」。
3.2、语义分析 MIR（Middle IR）阶段
MIR 是 Rust 代码的中间表示，基于 HIR 进一步简化构建。MIR 是在RFC 1211中引入的。
MIR 主要用于借用检查。早期在没有 MIR 的时候，借用检查是在 HIR 阶段来做的，所以主要问题就是生命周期检查的粒度太粗，只能根据词法作用域来进行判断，导致很多正常代码因为粗粒度的借用检查而无法通过编译。Rust 2018 edition 中引入的 非词法作用域生命周期（NLL）就是为来解决这个问题，让借用检查更加精细。NLL 就是因为 MIR 的引入，将借用检查下放到 MIR 而出现的一个术语，这个术语随着 Rust 的发展终将消失。
MIR 这一层其实担负的工作很多，除了借用检查，还有代码优化、增量编译、Unsafe 代码中 UB 检查、生成LLVM IR等等。关于 MIR 还需要了解它的三个关键特性：
- 它是基于控制流图（编译原理：Control Flow Graph）的。
- 它没有嵌套表达式。
- MIR 中的所有类型都是完全明确的，不存在隐性表达。人类也可读，所以在 Rust 学习过程中，可以通过查看 MIR 来了解 Rust 代码的一些行为。
图中没有画出来的，还有一个从 HIR 到 MIR 的一个过渡中间代码表示 THIR（Typed HIR） 。THIR 是对 HIR 的进一步降级简化，用于更方便地构建 MIR 。在源码层级中，它属于 MIR 的一部分。
4、中间代码生成
生成 LLVM IR 阶段。LLVM IR是LLVM中间语言。LLVM会对LLVM IR进行优化，再生成为机器码。
Rust中的宏
Rust 本质上存在两类宏：声明宏（Declarative Macros） 与 过程宏（Procedural Macros） 。
声明宏
回头再看看上面的图右侧部分。我们知道，Rust 在最初解析文本代码都时候会将代码进行词法分析生成词条流（TokenStream）。在这个过程中，如果遇到了宏代码（不管是声明宏还是过程宏），则会使用专门的「宏解释器（Macro Parser）」 来解析宏代码，将宏代码展开为 TokenStream，然后再合并到普通文本代码生成的 TokenSteam 中。
你可能会有疑问，其他语言的宏都是直接操作 AST ，为什么 Rust 的宏在 Token 层面来处理呢？
这是因为 Rust 语言还在高速迭代期，内部 AST 变动非常频繁，所以无法直接暴露 AST API 供开发者使用。而词法分析相对而言很稳定，所以目前 Rust 宏机制都是基于词条流来完成的。
那么声明宏，就是完全基于词条流（TokenStream)。声明宏的展开过程，其实就是根据指定的匹配规则（类似于正则表达式），将匹配的 Token 替换为指定的 Token 从而达到代码生成的目的。因为仅仅是 Token 的替换（这种替换依然比 C 语言里的那种宏强大），所以你无法在这个过程中进行各种类型计算。
过程宏
声明宏非常方便，但因为它只能做到替换，所以还是非常有局限的。所以后来 Rust 引入了过程宏。过程宏允许你在宏展开过程中进行任意计算。过程宏也是基于 TokenSteam API的，只不过由第三方库作者 dtolnay 设计了一套语言外的 AST ，经过这一层 AST 的操作，就实现了想要的结果。
过程宏的工作机制就如上面图中左侧展示的那样。主要是利用三个库，我称之为 「过程宏三件套」：
- proc_macro2。该库是对 proc_macro 的封装，是由 Rust 官方提供的。
- syn。该库是 dtolnay 实现的，基于 proc_macro2 中暴露的 TokenStream API 来生成 AST 。该库提供来方便的 AST 操作接口。
- quote。该库配合 syn，将 AST 转回 TokenSteam，回归到普通文本代码生成的 TokenSteam 中。
过程宏的整个过程，就像是水的生态循环。 蒸汽从大海（TokenSteam）中来，然后通过大雨(Syn)，降到地上(Quote)，形成涓涓细流(proc_macro2::TokenStream)最终汇入大海（TokenSteam）。
总结
本篇文章主要介绍了 Rust 代码的编译过程，以及 Rust 宏代码的展开机制，学习这些内容，将有助于你深入理解 Rust 的概念。
参考
https://rustmagazine.github.io/rust_magazine_2021/chapter_1/rustc_part1.html
