^ 和 _ 是 LaTeX 中唯一不以反斜杠开头的命令吗？

Question 1

在 TeX 和 LaTeX 中，区分“命令”或“控制序列”与 TeX 特殊字符至关重要。一般来说，只有前者以反斜杠 ( \) 字符开头。（但请参阅下面最后一段，了解不以反斜杠开头的命令示例。）

^和_只是 TeX 特殊字符的两个例子。其他字符包括\（反斜杠）、{、}、$（“数学移位”）、&、#和%(注释字符)。从 TeX 和 LaTeX 的角度来看，这些字符之所以“特殊”，是因为它们各自都有特定的特殊类别代码，或简称为 catcode。如果需要排版某个特殊 catcode 字符，则适用各种规则。例如，要排版一个 & 号、井号或百分号字符，必须在相应符号前加上反斜杠字符，即分别输入、和。\&要\#在\%文本模式下排版反斜杠符号，必须将其输入为“ \textbackslash”或“ \string\”。（后一种方法还需要T1字体编码——它不适用于OT1。使用后一种方法，\string\如果目标是生成单个反斜杠字符，则后面需要一个空格；可能出现的不良副作用是在反斜杠字符后输出一个空格。相反，输入会\string\hello创建\hello，而没有空格。）在数学模式下，可以通过输入或来输出反斜杠字符\backslash，\setminus具体取决于预期含义：的数学状态为\backslash“ord”（普通），而的数学状态\setminus为“bin”（二进制）。

如果有“特殊”的 catcode，那么也一定有“非特殊”的 catcode，对吧？事实确实如此。主要的非特殊 catcode 保留给字母（例如，a至z和A至Z），空格字符，和“其他”字符（例如数字、标点符号、撇号、、、、"和）。非特殊 catcode 的字符可以直接输入，即它们不需要以@任何特殊字符作为前缀。行尾字符、“(忽略”字符和“无效”字符也由非特殊 catcode 标识。)-/

最后，有一个 catcode活跃角色。“活动”字符是执行以下任一操作的命令的示例不是以反斜杠开头。在大多数 TeX 安装中，（“波浪号”）的 catcode~是“active”；的主要用途~是在两个单词之间插入一个不可中断的空格。要直接排版波浪号，必须像\~{}在文本模式和\tilde{}数学模式中一样输入它。据我所知，独立的波浪号在一般的印刷应用程序中并不常见。（我认为排版 URL 字符串是一种特殊的应用程序。）波浪号经常作为变音符号或“重音符号”出现，例如\~n在Espa\~na和中 $\tilde{z}$ 。另一个例子：如果babel包使用选项加载，某些标点符号（例如和）french的 catcode将从“其他”更改为“活动”。此更改有助于为这些标点符号实现法语印刷实践。:;

Answer

在 TeX 和 LaTeX 中，区分“命令”或“控制序列”与 TeX 特殊字符至关重要。一般来说，只有前者以反斜杠 ( \) 字符开头。（但请参阅下面最后一段，了解不以反斜杠开头的命令示例。）

^和_只是 TeX 特殊字符的两个例子。其他字符包括\（反斜杠）、{、}、$（“数学移位”）、&、#和%(注释字符)。从 TeX 和 LaTeX 的角度来看，这些字符之所以“特殊”，是因为它们各自都有特定的特殊类别代码，或简称为 catcode。如果需要排版某个特殊 catcode 字符，则适用各种规则。例如，要排版一个 & 号、井号或百分号字符，必须在相应符号前加上反斜杠字符，即分别输入、和。\&要\#在\%文本模式下排版反斜杠符号，必须将其输入为“ \textbackslash”或“ \string\”。（后一种方法还需要T1字体编码——它不适用于OT1。使用后一种方法，\string\如果目标是生成单个反斜杠字符，则后面需要一个空格；可能出现的不良副作用是在反斜杠字符后输出一个空格。相反，输入会\string\hello创建\hello，而没有空格。）在数学模式下，可以通过输入或来输出反斜杠字符\backslash，\setminus具体取决于预期含义：的数学状态为\backslash“ord”（普通），而的数学状态\setminus为“bin”（二进制）。

如果有“特殊”的 catcode，那么也一定有“非特殊”的 catcode，对吧？事实确实如此。主要的非特殊 catcode 保留给字母（例如，a至z和A至Z），空格字符，和“其他”字符（例如数字、标点符号、撇号、、、、"和）。非特殊 catcode 的字符可以直接输入，即它们不需要以@任何特殊字符作为前缀。行尾字符、“(忽略”字符和“无效”字符也由非特殊 catcode 标识。)-/

最后，有一个 catcode活跃角色。“活动”字符是执行以下任一操作的命令的示例不是以反斜杠开头。在大多数 TeX 安装中，（“波浪号”）的 catcode~是“active”；的主要用途~是在两个单词之间插入一个不可中断的空格。要直接排版波浪号，必须像\~{}在文本模式和\tilde{}数学模式中一样输入它。据我所知，独立的波浪号在一般的印刷应用程序中并不常见。（我认为排版 URL 字符串是一种特殊的应用程序。）波浪号经常作为变音符号或“重音符号”出现，例如\~n在Espa\~na和中 $\tilde{z}$ 。另一个例子：如果babel包使用选项加载，某些标点符号（例如和）french的 catcode将从“其他”更改为“活动”。此更改有助于为这些标点符号实现法语印刷实践。:;

Question 2

以下是从 TeX（具体来说是 Knuth TeX）程序内部的角度给出的答案。不需要知道以下任何一种都只是使用 TeX；这只是在您好奇其内部工作原理时才适用。

胃发出“指令”

TeX 程序的“主要”部分（经过一些初始化等）基本上是主循环（在源代码中调用main_control）。代码的结构有点像下面的伪代码：

def main_control():
    while True:
        get_x_token  # Sets `cur_cmd` and `cur_chr`.
        # Now perform some action based on `mode` and `cur_cmd`...
        # ... this action may use the value of `cur_chr`.

这个主控制程序就是 Knuth 在手册中描述的（TeXbook) 作为 TeX 的“胃”：它饥渴地等待着从 TeX 的“嘴” (上图) 传递给它的标记 (命令及其细节) get_x_token。

因此从 TeX 的核心角度来看，一切到达它的是一个命令：例如，字母“e”作为命令“letter”（= cur_chr101）传递到胃中。对于这个“letter”命令，相应的操作（如果 TeX 处于水平模式）只是“将此字符附加到当前字体中的当前 hlist”。

这里有一些常见的“命令”（及其大多不相关的内部代码），在什么情况下 TeX 的胃会收到这些命令，以及采取的相应操作：

信(11)：当您输入被视为字母的字符时，TeX 的胃会获取此命令（默认情况下：A..Z、a..z）。操作（在水平模式下）是将该字符附加到当前 hlist。
其他字符(12)：当您输入字符（例如，默认情况下）"'()*+,-./0123456789:;<=>?@[]|或反引号时，TeX 的胃会获取此命令。操作（在水平模式下）是将该字符附加到当前 hlist。
垫片(10)：当您输入空格 (ASCII 32) 或制表符 (ASCII 9) 等字符时，TeX 的胃会获取此命令。操作是附加正常的单词间粘连或更大的粘连，具体取决于 space_factor（等）。
跳过（26）：当您输入\hskip或\hfil或类似的东西时，TeX 的胃会收到此命令。操作是扫描（如果需要），然后附加相应的胶水。
分配整数\tolerance(73)：当您输入某些命令（如或）时，TeX 的胃会收到此命令\day。操作是调用一个名为的内部过程prefixed_command（在本例中，它将扫描一个值以查找相应的整数并分配该值）。
定义(97): 当你输入\def或\edef或\xdef或时，TeX 的胃会收到此命令\gdef。操作是调用一个名为的内部过程prefixed_command（在本例中，它将扫描控制序列名称，然后是参数，然后是定义标记列表，并赋予该含义）。
左括号（1）（开始组）：当您输入时，TeX 的胃会获取此命令（默认情况下）{。操作是开始新的保存级别。
数学移位（3）：当您输入时，TeX 的胃会获取此命令（默认情况下）$。操作是进入或适当退出数学模式。
sup_mark(7)：TeX 的胃会在您输入时获取此命令（默认情况下）^。如果不在数学模式下，则操作是打印错误和insert_dollar_sign（作为错误恢复），如果在数学模式下，则操作是调用sub_sup（处理下标和上标）。
par_end\par（13）：TeX 的胃会在每个段落（或空白行）末尾获取此命令。
扩大（59）：留给 TeX 的扩展，包括一些已实现的 TeX 内置功能喜欢扩展只是为了说明。操作是调用do_extension。
输出参数（5）（输出一个参数）：当 TeX 的胃在标记列表中遇到您输入#1或 ... 或时它所放置在那里的内容时，它会获取此命令#9。
放松(0): 当你输入时，TeX 的胃可能会收到此命令\relax。操作是不执行任何操作。

大约有 100 条命令可以进入 TeX 的胃口；eTeX、pdfTeX、XeTeX 或 LuaTeX 等 TeX 扩展有更多命令。其中一些命令（如“letter”）出现的频率非常高，以至于 TeX 将其视为经过更深入优化的“主循环”的一部分。

嘴巴“发号施令”

以上都是关于 TeX 的“胃”（主控制循环和语义例程/动作程序）的内容。但 TeX 的“嘴”（扫描例程）也同样有趣。在它向胃发出命令之前，那里发生了很多事情。

请注意，在上面，我说其中一些命令是由单个字符输入触发的，并且经常提到“默认情况下”。这是因为 TeX 有一个概念类别代码。共有 16 个，您可以在第 37 页阅读详细信息TeXbook或者这个网站上的许多问题，例如类别代码是什么？。我就不重复了，只举几个例子：

当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 11（字母）的字符时，它会向胃部发送命令“字母”（也是 11）。
当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 12（其他字符）的字符时，它会向胃部发送命令“other_char”（也是 12）。
当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 1（组开头）的字符时，它会向胃部发送命令“left_brace”（也是 1）。

同样地，对于 catcode 2 (组结束/“right_brace”)、catcode 3 (数学移位/“math_shift”)、catcode 4 (对齐制表符/“tab_mark”)、catcode 7 (上标/“sub_mark”)、catcode 8 (下标/“sub_mark”)、catcode 10 (空格/“spacer”)，其中包括问题中提到的^和_。

但！

当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 14 的字符（%默认情况下为注释，类似）时，它不会立即向胃部发送任何内容，而只是跳到行尾——当它遇到真实命令时才会发送命令。
当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 13（活动字符，默认情况下）的字符时~，它会查找该活动字符的含义，并相应地执行宏调用或扩展等。
当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 0 的字符（转义字符，默认为反斜杠）时，它会扫描控制序列（基本上是单个非字母或字母序列），然后在哈希表中查找该控制序列以找出其含义，然后说“未定义的控制序列”或扩展它或......

嘴里会发生很多事情，例如条件语句\if，或宏调用（任何用\def或类似定义的宏），或用打开文件\input，或类似的事情\expandafter。只有当所有这些“咀嚼”完成并且有“真正的”命令时，食物才会到达胃里。

概括

从用户从这个角度来看，TeX 已经

“命令” 比如\hskip或\llap，
像主动角色~（也可以称为命令）
特殊 catcode 字符，如$或^或_（通常不称为命令），以及
常见的 catcode（“字母”或“其他字符”）字符，如e或5（几乎从不称为命令）。

从内部的看法，

角色有 catcode，
在此基础上，嘴巴可能会做进一步的扫描或扩展（在反斜杠或类似的活动字符的情况下~），
并根据得到的结果继续进行扩展（就像\llap是扩展为的宏一样\hbox to\z@{\hss#1}），
最后向胃部发出命令（例如，\llap导致make_box命令被传递），
这些“命令”不仅包括“hskip”（对应于用户可能认为的命令\hskip），还包括“math_shift”和“sup_mark”，甚至“other_char”和“letter”（通常由单个输入字符组成），
但这些“命令”不是包括诸如\input或\if或\string您可能考虑的命令之类的内容。

Answer

以下是从 TeX（具体来说是 Knuth TeX）程序内部的角度给出的答案。不需要知道以下任何一种都只是使用 TeX；这只是在您好奇其内部工作原理时才适用。

胃发出“指令”

TeX 程序的“主要”部分（经过一些初始化等）基本上是主循环（在源代码中调用main_control）。代码的结构有点像下面的伪代码：

def main_control():
    while True:
        get_x_token  # Sets `cur_cmd` and `cur_chr`.
        # Now perform some action based on `mode` and `cur_cmd`...
        # ... this action may use the value of `cur_chr`.

这个主控制程序就是 Knuth 在手册中描述的（TeXbook) 作为 TeX 的“胃”：它饥渴地等待着从 TeX 的“嘴” (上图) 传递给它的标记 (命令及其细节) get_x_token。

因此从 TeX 的核心角度来看，一切到达它的是一个命令：例如，字母“e”作为命令“letter”（= cur_chr101）传递到胃中。对于这个“letter”命令，相应的操作（如果 TeX 处于水平模式）只是“将此字符附加到当前字体中的当前 hlist”。

这里有一些常见的“命令”（及其大多不相关的内部代码），在什么情况下 TeX 的胃会收到这些命令，以及采取的相应操作：

信(11)：当您输入被视为字母的字符时，TeX 的胃会获取此命令（默认情况下：A..Z、a..z）。操作（在水平模式下）是将该字符附加到当前 hlist。
其他字符(12)：当您输入字符（例如，默认情况下）"'()*+,-./0123456789:;<=>?@[]|或反引号时，TeX 的胃会获取此命令。操作（在水平模式下）是将该字符附加到当前 hlist。
垫片(10)：当您输入空格 (ASCII 32) 或制表符 (ASCII 9) 等字符时，TeX 的胃会获取此命令。操作是附加正常的单词间粘连或更大的粘连，具体取决于 space_factor（等）。
跳过（26）：当您输入\hskip或\hfil或类似的东西时，TeX 的胃会收到此命令。操作是扫描（如果需要），然后附加相应的胶水。
分配整数\tolerance(73)：当您输入某些命令（如或）时，TeX 的胃会收到此命令\day。操作是调用一个名为的内部过程prefixed_command（在本例中，它将扫描一个值以查找相应的整数并分配该值）。
定义(97): 当你输入\def或\edef或\xdef或时，TeX 的胃会收到此命令\gdef。操作是调用一个名为的内部过程prefixed_command（在本例中，它将扫描控制序列名称，然后是参数，然后是定义标记列表，并赋予该含义）。
左括号（1）（开始组）：当您输入时，TeX 的胃会获取此命令（默认情况下）{。操作是开始新的保存级别。
数学移位（3）：当您输入时，TeX 的胃会获取此命令（默认情况下）$。操作是进入或适当退出数学模式。
sup_mark(7)：TeX 的胃会在您输入时获取此命令（默认情况下）^。如果不在数学模式下，则操作是打印错误和insert_dollar_sign（作为错误恢复），如果在数学模式下，则操作是调用sub_sup（处理下标和上标）。
par_end\par（13）：TeX 的胃会在每个段落（或空白行）末尾获取此命令。
扩大（59）：留给 TeX 的扩展，包括一些已实现的 TeX 内置功能喜欢扩展只是为了说明。操作是调用do_extension。
输出参数（5）（输出一个参数）：当 TeX 的胃在标记列表中遇到您输入#1或 ... 或时它所放置在那里的内容时，它会获取此命令#9。
放松(0): 当你输入时，TeX 的胃可能会收到此命令\relax。操作是不执行任何操作。

大约有 100 条命令可以进入 TeX 的胃口；eTeX、pdfTeX、XeTeX 或 LuaTeX 等 TeX 扩展有更多命令。其中一些命令（如“letter”）出现的频率非常高，以至于 TeX 将其视为经过更深入优化的“主循环”的一部分。

嘴巴“发号施令”

以上都是关于 TeX 的“胃”（主控制循环和语义例程/动作程序）的内容。但 TeX 的“嘴”（扫描例程）也同样有趣。在它向胃发出命令之前，那里发生了很多事情。

请注意，在上面，我说其中一些命令是由单个字符输入触发的，并且经常提到“默认情况下”。这是因为 TeX 有一个概念类别代码。共有 16 个，您可以在第 37 页阅读详细信息TeXbook或者这个网站上的许多问题，例如类别代码是什么？。我就不重复了，只举几个例子：

当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 11（字母）的字符时，它会向胃部发送命令“字母”（也是 11）。
当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 12（其他字符）的字符时，它会向胃部发送命令“other_char”（也是 12）。
当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 1（组开头）的字符时，它会向胃部发送命令“left_brace”（也是 1）。

同样地，对于 catcode 2 (组结束/“right_brace”)、catcode 3 (数学移位/“math_shift”)、catcode 4 (对齐制表符/“tab_mark”)、catcode 7 (上标/“sub_mark”)、catcode 8 (下标/“sub_mark”)、catcode 10 (空格/“spacer”)，其中包括问题中提到的^和_。

但！

当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 14 的字符（%默认情况下为注释，类似）时，它不会立即向胃部发送任何内容，而只是跳到行尾——当它遇到真实命令时才会发送命令。
当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 13（活动字符，默认情况下）的字符时~，它会查找该活动字符的含义，并相应地执行宏调用或扩展等。
当 TeX 的嘴巴看到 catcode 为 0 的字符（转义字符，默认为反斜杠）时，它会扫描控制序列（基本上是单个非字母或字母序列），然后在哈希表中查找该控制序列以找出其含义，然后说“未定义的控制序列”或扩展它或......

嘴里会发生很多事情，例如条件语句\if，或宏调用（任何用\def或类似定义的宏），或用打开文件\input，或类似的事情\expandafter。只有当所有这些“咀嚼”完成并且有“真正的”命令时，食物才会到达胃里。

概括

从用户从这个角度来看，TeX 已经

“命令” 比如\hskip或\llap，
像主动角色~（也可以称为命令）
特殊 catcode 字符，如$或^或_（通常不称为命令），以及
常见的 catcode（“字母”或“其他字符”）字符，如e或5（几乎从不称为命令）。

从内部的看法，

角色有 catcode，
在此基础上，嘴巴可能会做进一步的扫描或扩展（在反斜杠或类似的活动字符的情况下~），
并根据得到的结果继续进行扩展（就像\llap是扩展为的宏一样\hbox to\z@{\hss#1}），
最后向胃部发出命令（例如，\llap导致make_box命令被传递），
这些“命令”不仅包括“hskip”（对应于用户可能认为的命令\hskip），还包括“math_shift”和“sup_mark”，甚至“other_char”和“letter”（通常由单个输入字符组成），
但这些“命令”不是包括诸如\input或\if或\string您可能考虑的命令之类的内容。

Question 3

LaTeX 可以打印哪些字符具有非文字含义：

\makeatletter
\def\do#1{\ifnum\catcode\string`#1=12 \else
\message{\expandafter\@gobble\string#1}\fi}
\typeout{}\message{Chars:}%
\do\!\do\"\do\#\do\$\do\%\do\&\do\'\do\(\do\)\do\*\do\+\do\,%
\do\-\do\.\do\/\do\:\do\;\do\<\do\=\do\>\do\?\do\@\do\[\do\\%
\do\]\do\^\do\_\do\`\do\{\do\|\do\}\do\~%
\typeout{}%
\@@end

它打印：

Chars: # $ % & @ \ ^ _ { } ~

如果我们重新运行它

\documentclass{article}
\usepackage[french]{babel}
\begin{document}

添加后，它会打印更多内容：

Chars: ! # $ % & : ; ? @ \ ^ _ { } ~

我在 TeX Live 2015 和 2018 中尝试过这个（并且有效），使用乳胶，pdflatex和路拉泰克斯。

Answer

LaTeX 可以打印哪些字符具有非文字含义：

\makeatletter
\def\do#1{\ifnum\catcode\string`#1=12 \else
\message{\expandafter\@gobble\string#1}\fi}
\typeout{}\message{Chars:}%
\do\!\do\"\do\#\do\$\do\%\do\&\do\'\do\(\do\)\do\*\do\+\do\,%
\do\-\do\.\do\/\do\:\do\;\do\<\do\=\do\>\do\?\do\@\do\[\do\\%
\do\]\do\^\do\_\do\`\do\{\do\|\do\}\do\~%
\typeout{}%
\@@end

它打印：

Chars: # $ % & @ \ ^ _ { } ~

如果我们重新运行它

\documentclass{article}
\usepackage[french]{babel}
\begin{document}

添加后，它会打印更多内容：

Chars: ! # $ % & : ; ? @ \ ^ _ { } ~

我在 TeX Live 2015 和 2018 中尝试过这个（并且有效），使用乳胶，pdflatex和路拉泰克斯。

^ 和 _ 是 LaTeX 中唯一不以反斜杠开头的命令吗？

答案1

答案2

胃发出“指令”

嘴巴“发号施令”

概括

答案3

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