LaTeX 笔记：NFSS 那点事儿

零、

我就不写成《LaTeX 笔记（一）：NFSS 那点事儿》了，省得你们指望还有二……

本文比较靠近 TeXnique 这个主题。想理解本文的内容，至少也得读一下 TeXbook 或者 TeX by topic 之类的。

一、

NFSS 框架是 LaTeX2e 的核心内容，占了 LaTeX2e 源码的 30% 左右的篇幅。如果你不理解它的重要性，还有一个数据：在完全安装的 TeX Live 发行版中，各类字体宏包编写的字体定义文件 (*.fd) 有 3000+。有了 NFSS，大家才能快乐地使用 \bfseries \itshape 等命令切换字体，随心所欲不逾矩了。

那么没有 NFSS 的情况下怎么切换字体呢？如果你像第 0 条里面说的，读过了两本书之一，那么你就知道是这么来的：

% 以 txfonts 宏包的字体 txr 为例
\font\txrm=txr at 12pt
\txrm Hello, \TeX\ and its fonts!

需要定义一个控制序列（命令）代表实际的字体，然后在切换字体的时候用一下。plain TeX 已经定义了一些，如 \bf \it \tt 之类。问题在于，\bf 是直立的粗体，\it 是普通字重的意大利斜体，如果你想要粗斜体，这个字体跟它俩一毛钱关系都没有，必须你自己重新定义个诸如 \bfit 之类的字体命令才行。就连不同字号的字体，都需要重新定义。

那么话说回来，其实 \bfseries \itshape 和 \mdseries \itshape 、\bfseries \upshape 等命令给出的字体也全都不一样啊，这怎么搞的？往下看。

二、

上面让看的两篇文档，介绍了 NFSS 重要的属性——坐标。一个字体有 encoding / family / series / shape 和字号这五个坐标，比如默认字体，10pt 的 Computer Modern Roman （cmr10），在 NFSS 的坐标是 OT1/cmr/m/n/10。这里就不铺开讲了，需要你真的看完那两篇文档。

哦，你似乎在哪儿见到过这么一串写法？对了，在 Overfull \hbox 等信息里满都是这种写法。好了，是时候告诉你真相了：在调用这个字体前，实际上就有这么个全局的定义：

\global\font\OT1/cmr/m/n/10=cmr10

不过呢直接这样写是错的，因为控制序列的名称必须是字母类（catcode=11 的字符）。正确的写法相当于这样：

\global\expandafter\font\csname OT1/cmr/m/n/10\endcsname=cmr10

\expandafter 和 \csname ...\endcsname 的用法如果不明白，赶紧去看书。

也就是说，真实的字体命令，是由这些坐标拼起来构建的。不同的坐标会构造出来不同的字体命令，你每切换一次坐标，很可能就要生成一个新的字体命令。

三、

真的就是把字体坐标拼起来这么简单？当然不止，LaTeX 需要额外的信息找到上面代码里等号后面要赋值的字体名。把坐标与字体名称建立映射的东西，就是每个字体宏包必不可少的 .fd 文件。这个放到后面穿插着说。

四、

现在要提到 NFSS 里的一个比较核心的命令——\selectfont。在 \bfseries \itshape 或者 \small \large 等的定义里都有它。你光用 \fontseries{bx} 或者 \fontsize{10}{12} 改坐标还起不到改字体的作用，它只是把坐标信息存到了一些内部宏，如 \f@encoding \f@series 等。\selectfont 才是改变字体的实际操作。

那么 \selectfont 主要干了些啥呢？

\DeclareRobustCommand\selectfont{%\ifx\f@linespread\baselinestretch \else\set@fontsize\baselinestretch\f@size\f@baselineskip \fi\xdef\font@name{%\csname\curr@fontshape/\f@size\endcsname}%\pickup@font\font@name\size@update\enc@update}

定义里，前两行先不细看，它的作用是处理行距信息。行距有两种改法：\linespread{***} 和 \renewcommand {\baselinestretch}{***}，后者会导致 \baselinestretch 和用内部命令缓存的行距扩展系数 \f@linespread 不一致（前者则没有这个问题），所以在这儿要处理一下。

第 3-4 行就是定义出来所谓的 \OT1/cmr/m/n/10 了，这里定义了一个全局的 \font@name，后面很多地方用得着，另外一个重要的内部宏是 \curr@fontshape，它储存着前四个坐标。

第 6 行则是使用这个 \OT1/cmr/m/n/10 改变字体了；第 7 行起到的作用是更新 \baselineskip 等一系列工作；第 8 行是改了 encoding 之后的一些处理。

重点看第 5 行：

\def\pickup@font{%\expandafter \ifx \font@name \relax\define@newfont\fi}

意思不难，如果 \OT1/cmr/m/n/10 已经定义过，拿来现成用就好，否则需要定义新字体了。接下来看：

\def\define@newfont{%\begingroup\let\typeout\@font@info\escapechar\m@ne\expandafter\expandafter\expandafter\split@name\expandafter\string\font@name\@nil\try@load@fontshape % try always\expandafter\ifx\csname\curr@fontshape\endcsname \relax\wrong@fontshape\else\extract@font\fi\endgroup}

group 之内，第一行影响到向终端输出的信息；第 2-4 行是对 \font@name 内容的一个拆包，把它里头的字体坐标存进 \f@encoding \f@series 等。

后面的一个关键宏是 \try@load@fontshape：

\def\try@load@fontshape{%\expandafter\ifx\csname \f@encoding+\f@family\endcsname\relax\@font@info{Try loading font information for\f@encoding+\f@family}%\global\expandafter\let\csname\f@encoding+\f@family\endcsname\@empty\nfss@catcodes\let\nfss@catcodes\relax\edef\reserved@a{%\lowercase{%\noexpand\InputIfFileExists{\f@encoding\f@family.fd}}}%\reserved@a\relax{\@input@{\f@encoding\f@family.fd}}%\fi}

我们可以看到，这个宏起到的作用就是载入 .fd 字体定义文件了。在此解释两个宏：

\csname \f@encoding+\f@family\endcsname，形如 \OT1+cmr。它的定义标志着 .fd 文件被载入。它是 .fd 文件里 \DeclareFontEncoding 命令定义出来的。
\csname \curr@fontshape\endcsname，形如 \OT1/cmr/m/n，它的定义标志着 .fd 文件被载入，并且前四个坐标被 .fd 文件里的 \DeclareFontFamily 命令定义过，这样就可以拿来把最后一块拼图，也就是字号信息拼上。

那么好了，往下走，如果 .fd 文件载入了，各条 \DeclareFontFamily 也过了一遍，仍然找不到对应的字体怎么办？这就表明，字体包里可能没有定义你要的坐标，这时就要进行回退（fallback），这个工作由 \wrong@fontshape 完成。每个 encoding 的定义文件如 t1enc.def 里，都会用 \DeclareFontSubstitution 命令给出用来回退的三个坐标（OT1 的是在 LaTeX2e 内核里给的）。

\wrong@fontshape 的代码就不继续贴了，举个例子，如果我弄了一个错误的坐标出来， \OT1/cmr/xxx/xxx，LaTeX 载入了 ot1cmr.fd 发现没有这个坐标，它就回退到 \OT1/cmr/xxx/n，还找不到，就回退到 \OT1/cmr/m/n。如果进行了回退，你会看到 "Font shape *** undefined, use *** instead" 的提示。

如果找到了前四个坐标的信息，或者回退到了合适的前四个坐标，接下来就要通过字号这个坐标去找字体（TFM）了。这个功能由 \extract@font 完成，它调用了 \get@external@font 去解析 \DeclareFontShape 命令里各种复杂的字号和 tfm 映射关系的定义式，后者内部用了 \try@size@range 完成实际的解析，用 \try@size@substitution 完成字号的 fallback。

五、

啰啰嗦嗦地写完了，不知道有多少人有足够的耐心看到这儿，以及为了看懂它去看更多的书。LaTeX 对字体的这套解决方案也许不是最优的，不过恐怕是无法替代的，不然那乌泱乌泱的字体宏包都得改。

嗯我不是说了有 30% 的代码是 NFSS 嘛？事实上今天讨论到的这部分连 5% 都占不到。其余的大头是被 encoding 和数学字体占了。encoding 的部分，要解决的是不同字体编码下的一些命令和重音的实现，比如 OT1 下的 \"o 是两个字符拼起来的，而 T1 则可以找到单个的字符。数学字体就不在这里说了，要说起来肯定要另开一帖。

\endinput

作者：Louis Stuart
链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/21339128
来源：知乎
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