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Emacs-KP: Knuth-Plass 排版算法 Emacs 实现

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Emacs-kp 在 Emacs 内部完整实现了 Knuth-Plass 最优断行算法,支持中日韩 (CJK)与拉丁文混合排版。

特性

• 全局最优断行 — Knuth-Plass 动态规划求段落全局最优断点,而非贪心 首次适应。
• CJK 支持 — 每个 CJK 字符都是可断行的盒子;避头尾规则保证标点正确 附着(，。 不出现在行首,「《 不出现在行尾);汉字间距、中西文间距 独立可调。
• 连字符断词 — Frank Liang 算法(TeX 同款),内置 49 份带固定来源 与 SHA-256 的 Hunspell pattern 词典。
• 像素级两端对齐 — 一份语义 layout plan 同时驱动字符串与 buffer 渲染器。字符串 API 使用像素空格;buffer 组合 space-width 与绝对 像素 min-width,不插入排版字符也能支持变宽字体。
• 干净且可编辑的 buffer — buffer 命令不创建 overlay,也不会向字符流 加入 glue 空格、软换行或断词连字符。buffer-string、char-after、 搜索、语法、保存及普通 Elisp 文本 API 看到的都是源字符。
• 文本属性保留 — face、颜色等属性完整保留;断词插入的连字符继承所 在单词的样式。
• 困难输入不丢内容 — 未受保护的超长 token(URL、窄栏长词)退化为紧急 断行而不是吞掉文本;任何输入都有输出。
• 可选 C 模块 — 动态模块用 C 执行 DP,线程池并行处理多个段落(见 性能数据)。

环境要求

• Emacs 29.1+(依赖 string-pixel-width 与 object-intervals)
• 可选(C 模块):C11 编译器和 pthreads

安装

克隆仓库并加入 load-path(dictionaries/ 目录须与 .el 文件同级):

(add-to-list 'load-path "/path/to/emacs-kp")
(require 'ekp)
(require 'ekp-buffer)   ; buffer/region 命令

强烈建议字节编译——编译后 Elisp 引擎约快 10 倍。

快速开始

(require 'ekp)

;; 按 600 像素宽度两端对齐
(insert (ekp-pixel-justify "这是一段测试文本..." 600))

;; 在范围内寻找最优宽度,返回 (对齐文本 . 最优宽度)
(ekp-pixel-range-justify "测试文本" 400 800)

多行字符串按行分段处理,空行保留。

C 模块(长文本推荐)

cd ekp_c && make PROFILE=portable # 默认;产出 ekp.dylib/.so/.dll

(ekp-c-module-load)     ; 显示 "ekp-c module loaded (version 1.6, N threads)"
(ekp-c-module-build)    ; 选择 portable/native/debug/sanitize

加载后(ekp-use-c-module 默认为 t)所有排版调用自动走 C 引擎。 Elisp 与 C 两个引擎的输出完全一致;未启用模块或 C 返回 nil 时走 Elisp。已启用模块若 signal,则作为后端契约错误直接呈现。若磁盘上的 模块版本旧于 Elisp 代码的要求,加载会拒绝并提示重新编译。

交互使用(buffer 与 region)

ekp-buffer.el 把字符串 API 变成 buffer 级命令:

(require 'ekp-buffer)

• M-x ekp-justify-region — 把选区排版到窗口文本宽度(数字前缀参数 可指定像素宽)。没有激活选区时,排版光标所在段落。
• M-x ekp-justify-buffer — 排版整个 buffer。
• M-x ekp-unjustify-region / ekp-unjustify-buffer — 移除 EKP 的 显示投影。buffer 排版从未替换源文本,因此不需要“还原字符”。
• M-x ekp-auto-justify-mode — 让已完成硬段落保持按窗口宽度排版, 同时让普通输入保持稳定。活动硬行由“已提交投影 + 一个局部编辑事务” 组成。同一原生视觉行内输入时,不会规划整条硬行,也不会改写无关的已 投影行。编辑中间已投影行时,只让该行的真实脏岛恢复自然;后续断行锚点 保持不动,局部单词迁移交给 Emacs 原生软折行。输入自然跨入下一视觉行 时,EKP 才调用或复用一次完整 ekp-layout-plan,并原子发布所有已完成 行;新行继续自然显示。删除后插回完全相同的源文本会立即逐属性恢复保存 的完整投影。 仅移动 point 永远不会规划或写布局属性,即使 point 离开段落也是如此。 全局提交只发生在视觉行跨越、硬换行/段落完成、下一次真实编辑发生在 别处、显式 refill,或宽度/字体/布局上下文变化时。不存在编辑后空闲触发 的整段跳变。窗口尺寸变化仍通过 ekp-auto-justify-resize-delay 防抖。 mode 启用期间会临时关闭显式行截断以及 Emacs 的窄分栏窗口截断, 因此左右分栏再窄也会正常软折行;关闭 mode 时会精确恢复这两个变量 原来的 buffer-local 或全局所有权。 活动行首尾输入一个空格或 tab 会在同一次输入中立即可见;删除其后的 字符也不会把该源空白隐藏。重投影还会分别保持 mark 位置与 mark-active,因此改变宽度不会把旧 mark 变成意外选区。 mode 激活时,标准 EKP 菜单提供排版、保护与窗口适配诊断命令; C-h m 也会说明同一套流程。

投影只使用现有源字素上的文本属性:

• 源 ASCII 空格使用 ((space-width FACTOR) (min-width ((TARGET-PIXELS))))。
• 没有源空格的 CJK/混排间距,把 min-width 加到前一个完整字素上, 目标值为“字素自然 advance + glue”。
• 缩进使用 line-prefix;视觉断行与断词连字符使用挂在现有完整字素上的 replacing display string。
• EKP 绝不创建 overlay,也不抢占外部的 replacing display、 line-prefix、wrap-prefix、composition 或 invisible。有冲突 的硬段落保持自然显示,M-x ekp-diagnose 会报告原因。

因此:

• Elisp API 与保存直接看到原始字符序列,视觉空格、换行和连字符不可能 进入磁盘、语法或搜索逻辑。buffer-substring 会保留文本属性,所以可能 携带 EKP 的显示属性;buffer-substring-no-properties 是纯源字符串。
• 搜索(包括 isearch)直接搜索源文本,一个拉丁单词不会因为视觉断词而 变成两个词。
• 复制/剪切会在组合已有 substring filter 的同时移除 EKP 自有投影 属性;粘贴内容只包含逻辑文本及非 EKP 属性。
• 投影更新包在 with-silent-modifications 中:启用、编辑、缩放及关闭 排版不会制造仅由布局引起的 undo 条目、modified 状态或字符修改 tick。

ekp-buffer-margin-pixel(默认 2)是从窗口宽度中扣除的取整安全边距。

大 buffer(超过 ekp-auto-justify-lazy-threshold 字符,默认 2 万) 自动改为可视优先重排:屏幕内的部分同步完成,其余在空闲时后台分块 补齐,每个时间片有时间预算(ekp-auto-justify-tick-budget),并优先 处理你滚动到的区域。

自动规划还按硬段落设有上限。ekp-auto-justify-paragraph-limit 默认 2 048 字符。更长的单个硬段落保持自然折行与完整可编辑性,避免一次无界 Knuth-Plass 计算阻塞输入;M-x ekp-diagnose 会报告这一原因。确实需要 对该段执行无上限完整质量排版时,显式运行 M-x ekp-refill-paragraph。

各 mode 的显式本地保护预设——各一行:

(add-hook 'org-mode-hook      #'ekp-org-setup)
(add-hook 'markdown-mode-hook #'ekp-markdown-setup)

在 Org 与 Markdown buffer 里,若你没有自定义配置, ekp-auto-justify-mode 会自动查询 ekp-buffer-mode-policy-alist。 它不会把 profile 值复制成 buffer-local 变量;只有显式调用上面的 setup 函数时才会写入本地 face 列表。

保护代码块与 verbatim 文本

• 段落级:携带 ekp-verbatim 文本属性(M-x ekp-verbatim-region)、 face 在 ekp-buffer-skip-faces 列表中(如 org-block、 markdown-code-face)、或被 buffer-local 的 ekp-buffer-skip-predicate 判定的段落原样跳过,一个字节都不动。
• 自动行内级:face 在 ekp-buffer-inline-faces 中的精确区间 (Org 的 org-code/org-verbatim,Markdown 行内代码默认由 mode profile 提供)使用 ekp-inline-code-policy。默认 no-hyphen 保留源空格字面宽度并禁止词典断词,但仍可在合法源边界换行。自动 no-break 区间若宽于有效栏宽,会降级为 no-hyphen。
• 显式硬原子级:带 ekp-no-break 属性的区间(M-x ekp-no-break-region) 成为刚性原子——不断行、不断词、空格保持字面宽度——适合行内代码、 产品名、数字加单位。原子宽于栏宽时仍保持完整,但不保证独占一行: 最终遍可能把它与前面的普通内容放在同一条溢出行。普通欠宽候选使用 固定的 emergency stretch 并按正常 K-P 代价评分;若超宽候选会让最终遍 的活动路径全部消失,核心按 TeX 的 artificial demerits 语义保留最后 路径。这里没有中文孤字、单位或截图专用规则。

手动属性明确只在当前 buffer 会话有效:普通文本保存与重新打开不会 恢复它们。使用 M-x ekp-allow-break-region / ekp-clear-verbatim-region 清除。需要从持久文档语法派生保护时,使用 mode face 或 buffer-local 的 ekp-buffer-skip-predicate(Org/Markdown 预设会自动这样做)。

排版特性

• 对齐模式 — ekp-alignment:justify(默认)/ragged-right/ ragged-left/center。非两端对齐模式下词间距保持自然,K-P 仍在 每行 ekp-ragged-stretch-pixel(≈2 em)的余量内全局最小化参差。
• 标点悬挂 — 置 ekp-protrusion 为 t,行尾标点(。、」以及 西文句读、断词连字符)按 ekp-protrusion-ratios 悬出齐边。全角 闭合标点默认 0.5,视觉上等价于 CLREQ 的行尾标点半角化。 ekp-auto-justify-mode 自动预留悬挂宽度。
• 段落形状 — ekp-first-line-indent(t = 2 em)实现中文段首 缩进惯例;或用 TeX 式 ekp-parshape 逐行指定 (缩进 . 宽度)。 首行缩进走高速的 1D 路径与 C 引擎;只有完整的 ekp-parshape 和 ekp-looseness 才回落到 Elisp 专属的 2D 动态规划。
• 不可断字符 — NBSP、窄 NBSP、数字空格、WORD JOINER 天然把两侧 锁在同一行。
• 禁则覆盖全角与半角标点:行首不会出现 。、」!? 或独立的 .,;:!?,行尾不会出现 「( 等。日文行首禁则还覆盖小假名、长音 符和叠字符(っ ょ ー 々),可通过 ekp-cjk-no-line-start-extra 配置。

已知限制:行中的 CLREQ 标点压缩(如「字。下」行内挤压)无法渲 染——Emacs 不能缩减字形 advance——因此行边压缩以悬挂方式呈现;左缘 悬挂同理不可渲染(文本无法起笔于行原点之前)。

配置

断行策略与测量宽度

默认策略的目标是让代码可读,但不把所有"看起来像代码"的片段都变成 硬原子:

选项	默认值	作用域	含义
ekp-inline-code-policy	no-hyphen	全局、profile、本地	行内 face 的 normal、no-hyphen 或自动适配 no-break
ekp-hyphenation	auto	全局、profile、本地、区域命令	auto/on 在词典可用时断词;off 禁止词典断词
ekp-token-break-policies	URL/path/identifier no-hyphen,number-unit no-break	全局、profile、本地	按 token 类别合并的自动策略
ekp-number-unit-suffixes	常见 CSS、时间、数据、频率、度量单位	全局、profile、本地	紧凑数字单位识别的后缀
ekp-kinsoku-profile	common	全局、profile、本地	common、zh、ja、off 或 custom 禁则
ekp-cjk-no-line-start-extra / ekp-cjk-no-line-end-extra	""	全局、profile、本地	custom profile 使用的附加禁则字符
ekp-overlong-token-policy	emergency	全局、profile、本地	普通超宽 Latin-like token 的 emergency、overflow 或 natural
ekp-buffer-measure	narrowest-window	全局、profile、本地	narrowest-window、固定像素整数或 (max . PIXELS)
ekp-buffer-skip-faces	由 profile 提供	全局、profile、本地	段落级 verbatim face
ekp-buffer-inline-faces	由 profile 提供	全局、profile、本地	使用行内策略的精确 face 区间
ekp-buffer-mode-policy-alist	Org 与 Markdown profile	全局/安全本地值	自动与手动 buffer 排版查询的 mode profile

有效优先级固定为:显式区域文本属性 > 显式 buffer/file/dir-local 值 > 第一个匹配的 major-mode profile > 全局默认值。区域 ekp-break-policy 可取 normal、hyphenate、no-hyphen;它只覆盖精确区间内的自动 token/行内策略,不会创建硬原子。ekp-no-break 仍是唯一显式硬原子 属性,并且胜过所有自动策略。

支持 file/dir local 的上述变量都有封闭的 safe-local 谓词。 M-x ekp-diagnose 会报告请求宽度、最窄活动窗口、有效宽度、溢出风险、 冲突数量,以及当前行内/断词/禁则/超宽策略摘要。EKP 菜单提供诊断与 区域命令:普通断行、开启区域断词、关闭区域断词、清除区域断行策略、 no-break 与 verbatim。

断词语言

(setq ekp-latin-lang "de_DE")   ; 默认 "en_US"

"de" 这类短代码会解析到第一个匹配的词典。受支持词典自身的 LEFTHYPHENMIN / RIGHTHYPHENMIN 都会被遵守(英文在断点前保留 ≥2 字母、之后 ≥3); 给 ekp-hyphen-create 传显式边距可覆盖。

EKP 支持普通 Liang pattern。eo、ca、hu_HU 与 sq_AL 含有 斜杠/替换规则,会在选中断点时改写字形;把它们当成普通位置既会产生 错误拼写,也会让 DP 使用错误宽度。因此这些语言会明确 signal ekp-hyphen-unsupported-pattern,而不是静默降级。完整文件清单、 SHA-256、固定来源路径和许可证据见 dictionaries/MANIFEST.tsv 与 dictionaries/LICENSES.md。

间距参数

三类 glue 控制间距(单位均为像素):

参数组	位置
lws-*	拉丁词之间
mws-*	拉丁词与 CJK 字符之间
cws-*	CJK 字符之间

每类包含理想宽度、最大拉伸、最大收缩:

(ekp-param-set lws-ideal lws-stretch lws-shrink
               mws-ideal mws-stretch mws-shrink
               cws-ideal cws-stretch cws-shrink)
;; 例如 (ekp-param-set 7 3 2  5 2 1  0 2 0)

• 从不调用 ekp-param-set 时,参数按每个字符串的字体自动计算。
• 显式设置的参数持久生效,直到调用 ekp-param-reset 恢复自动模式。

算法参数

变量	默认值	含义
ekp-line-penalty	10	每行基础代价;越大越倾向少行
ekp-hyphen-penalty	50	连字符断词代价(以 penalty² 计入)
ekp-adjacent-fitness-penalty	100	相邻行松紧等级相差 >1 的代价
ekp-consecutive-hyphen-penalty	100	连续断词行的代价系数(× 次数²)
ekp-last-line-min-ratio	0.5	末行最小填充比例
ekp-last-line-short-penalty	50	末行过短的代价系数
ekp-looseness	0	目标行数偏移:+1 比最优多一行,−1 少一行

两个引擎都实现了这些参数:实际进入 C 计算前,Elisp 会同步当前值。 DP 缓存签名包含表中的全部参数,因此修改后下一次调用即生效,无需 手动清缓存。ekp-looseness 由专门的 Elisp 路径处理(非零时自动 绕过 C 模块)。

缓存

分词、测宽和 DP 结果按段落缓存;盒宽还额外做会话级缓存,跨段落共享 的字形整个会话只测量一次。 显式间距值和自动模式的 ekp-default-cws-stretch-pixel 都属于段落 缓存签名。同字符串快路径也使用同一个完整结构 key,因此在已缓存的 字符串对象上增删 ekp-no-break 等排版属性会立即生效。

• ekp-para-cache-limit(默认 256):缓存段落数上限,超过后整体清空。
• M-x ekp-clear-caches 清空所有缓存(更换字体或影响字宽的主题后使用)。

性能

基于内置示例文本(tests/ekp-bench.el)、batch Emacs 30.2、Apple Silicon 测得;方法见 DEVELOPER_ZH.md:

场景(text-zh.txt ≈ 3.6KB)	Elisp(字节编译)	C 模块
两端对齐,宽 200px	150 ms	41 ms
最优宽度搜索 340–380	529 ms	106 ms
仅 DP,宽 400px	30 ms	2.5 ms

请字节编译本包——编译后 Elisp 引擎快约 10 倍。两引擎输出完全一 致;C 模块在最优宽度搜索和长多段文本上收益最大。(绝对数值随机器与 功耗状态波动,重点看比例。)

已知限制

• 文本属性属于 buffer,不能为同一 buffer 在不同宽度窗口保存两套 plan。 EKP 以显示该 buffer 的最窄活动窗口为权威宽度;较宽窗口可能右侧留白, 但不会溢出。
• 显式检查文本属性的 Elisp API 能看到 EKP 自有布局属性;干净保证针对 字符流。复制/剪切会移除这些投影元数据。
• space-width 不能缩窄 tab 或非 ASCII 空白。若精确 plan 要求这种操作, EKP 会让受影响硬段落保持自然显示并报告冲突。
• 测量会跟随当前 buffer 的 face 重映射(text-scale-mode、主题等), 并在无 fringe 的窗口里为截断指示符预留一列,排版行贴合真实显示。 若在特殊配置下仍出现截断或偏短,在该 buffer 里执行 M-x ekp-diagnose——它会报告测量与渲染是否一致。完整贴合矩阵是 tests/ekp-gui-verify.el 中的开发工具;执行 M-x ekp-gui-verify 前须先加载该文件。
• 计算默认间距时假定每段落的拉丁/CJK 各使用一种字体;混合字体段落可以 工作,但默认间距取自找到的第一个字体。
• ekp-pixel-range-justify 用三分搜索加局部扫描最小化平均 demerits; 代价关于宽度并非严格单峰,结果是很好的局部最优,不保证全局最优。
• batch/tty 模式下像素宽度退化为字符列数(整条管线仍可工作,便于测试)。

交互式演示

emacs -Q -L /path/to/emacs-kp -l tests/ekp-showcase.el -f ekp-showcase

单 buffer 按键交互:-/+ 增减像素宽度(头行实时显示本次重排毫秒 数),d 宽度扫掠动画并报告 fps,a 循环四种对齐,p 标点悬挂, i 首行缩进,s 楔形 parshape,c 切换 C/Elisp 引擎对比性能, w 进入跟随窗口宽度模式(真实 ekp-auto-justify-mode)。样例文本 内置受保护代码块、行内不可断原子与 NBSP 锁定的数字。

测试

tests/run-tests.sh /path/to/emacs     # 全部支持 batch 的 ERT 测试集

# 完整的交互式 GUI 贴合矩阵
emacs -Q -L /path/to/emacs-kp -L /path/to/emacs-kp/tests \
  -l /path/to/emacs-kp/tests/ekp-gui-verify.el \
  -f ekp-gui-verify-matrix

矩阵会打印全部行；任一贴合检查失败时以状态码 1 退出，因此同一命令可 作为本地发布门禁。验证器是 tests/ 下的开发工具， (require 'ekp-buffer) 不会加载它。

致谢

• 核心算法: "Breaking Paragraphs into Lines" by Donald E. Knuth and Michael F. Plass (1981)
• 断词算法: Frank Liang 算法,改编自 Pyphen
• 词典: 断词模式来自 LibreOffice dictionaries;准确来源、校验值和许可证据见 dictionaries/MANIFEST.tsv、dictionaries/LICENSES.md 与随附的各词典说明。