【C语言进阶】预处理详解

引言

对预处理的相关知识进行详细的介绍

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所属专栏 ：《C语言进阶》

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预处理又叫预编译，预处理是编译过程中的第一个步骤，主要是处理以#开头的预编译指令。

预定义符号

C语言设置了一些预定义符号，可以直接使用，预定义符号也是在预处理期间处理的。

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__FILE__    //进行编译的源文件的文件名
__LINE__    //文件当前的行号
__DATE__    //文件被编译的日期
__TIME__    //文件被编译的时间
__STDC__    //如果编译器崔寻ANSI C，其值为1，否则就是未定义。

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#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
int main()
{
	printf("%s\n", __FILE__);
	printf("%d\n", __LINE__);
	printf("%s\n", __TIME__);
	printf("%s\n", __DATE__);

	return 0;
}

#define定义常量

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#define name stuff

在预编译的过程中，会用stuff来代替name。

比如下面的MAX就是要被替换的name，在预处理的阶段，MAX会被替换成100。

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#define MAX 100
int main()
{
	printf("%d\n", MAX);
	return 0;
}

后面的stuff不仅可以是数字，也可以是一个长句。

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#define PRINT printf("hello world！\n")
int main()
{
	PRINT;
	return 0;
}

#define定义宏

#define定义宏，不仅可以完成语句的替换，还可以将参数传进去。

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#define name(parament_list) stuff

parament_list表示的就是参数，有了参数的加入，stuff的表达更加丰富。

注意：参数列表的左括号必须与name紧邻，如果两者之间有任何空白存在，参数列表就会被解释为stuff的一部分

比如说：

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#define SQUARE(x) x+x
int main()
{
	int a = 10;
	printf("%d\n", SQUARE(a));
	return 0;
}

这里的SQUARE(x)中的 x 就是参数，将参数a代替x，然后带入后面的表达式。

这里的SQUARE(a),经过替换就是 a+a.

但是这种定义宏的写法是存在瑕疵的，#define定义宏的书写一定要在各个参数上加上括号，在整体的表达式加上括号。

下面的书写方式才是正确的。

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#define SQUARE(x) ((x)+(x))

接下来看两个错误的示范：

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#define SQUARE(x) x*x
int main()
{
	int a = 10;
	printf("%d\n", SQUARE(a+1));
	return 0;
}

这里的本来预想的结果是11*11=121，但是预处理并不是首先将参数进行计算，而是简单地将参数进行替换，SQUARE(a+1)会被替换成a+1*a+1(10+1*10+10),所以最后地结果是21。

解决办法就是

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#define SQUARE(x) (x)*(x)

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#define SQUARE(x) x+x
int main()
{
	int a = 10;
	printf("%d\n", 10*SQUARE(a));
	return 0;
}

这里本来预想的结果是200，但是将参数进行替换,10*SQUARE(a)->10*a+a,结果就是110.

解决办法就是

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#define SQUARE(x) (x+x)

总结：

为了避免宏定义中，参数中操作符或临近操作符之间不可预料的相互作用。我们应该毫不吝啬地在参数和参数表达式整体加上括号。

带有副作用的宏参数

刚刚讲了定义宏是什么，接下来是带有副作用的宏参数。如果参数带有副作用，那么你在使用这个宏的时候就可能出现危险，导致不可预测的后果。副作用就是表达式求值的时候出现的永久性效果。

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x+1; //不带副作用
x++; //带有副作用

多次使用宏定义，那就会导致x的值发生变化，最终导致的结果就会大相径庭。

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#define MAX(a,b) ((a)>(b)?(a):(b))
int main()
{
	int x = 4;
	int y = 5;
	int z = MAX(x++, y++);
	printf("%d %d %d\n", x, y, z);
	return 0;
}

这里x++，y++作为参数,MAX(x++,y++)会被替换成((x++)>(y++)?(x++):(y++))，首先x++和y++比较大小，x的值会变成5，y的值会变成6，那么后面的y++表达式就会被执行，因为是前置++，先执行后++，所以结果是6，但是y的值变成了7。

宏替换的规则

在程序中扩展#define定义符号和宏时，需要涉及几个步骤。

在调用宏时，首先对参数进行检查，看看是否包含任何由#define定义的符号。如果时，它们首先被替换。
替换文本随后被插入到程序中原来文本的位置。对于宏，参数名被它们的值所替换。
最后，再次对结果文件进行扫描，看看它是否包含任何由#define定义的符号。如果时，就重复上述处理过程。

注意：

宏参数和#define定义中可以出现其他#define定义的符号。但是对于宏，不能出现递归。

当预处理器搜索#define定义的符号的时候，字符串常量的内容并不被搜索。

宏函数的对比

|----------|------------------------------------------------------------------------|------------------------------------|
| 属性 | #define定义宏 | 函数 |
| 代码长度 | 每次使用时，宏代码都会被插入到程序中。除了非常小的宏之外，程序的长度会大幅度增长 | 函数代码只出现与一个地方，每次执行函数调用的都是同一个地方 |
| 执行速度 | 更快 | 存在函数的调用和返回函数栈帧的时间，速度会慢一些 |
| 操作符优先级 | 宏参数的求值是在所有周围表达式的上下文环境里，除非加上括号，否则邻近操作符的优先级可能会产生不可预料的后果，所以建议宏在书写的时候多些括号。 | 函数参数只在函数调用的时候直接将参数的值传递给函数。 |
| 带有副作用的参数 | 参数可能被代替到宏体中的多个位置，如果宏的参数被多次计算，带有副作用的参数求值可能会产生不可预料的结果 | 函数参数只在传参的时候对参数进行求值 |
| 参数类型 | 宏的参数与类型无关，只要对参数的操作是合法的，它就可以使用与任何参数类型 | 函数的参数是与类型有关的，不同的参数类型就要不同的函数，所以比较严格 |
| 调试 | 宏是不方便调试的 | 函数是可以逐语句调试 |
| 递归 | 宏是不能递归的 | 函数是可以递归的 |

#和##

#运算符

#运算符将宏的一个参数转换为字符串字面量，它仅允许出现在带参数的宏的替换列表中。

#运算符所所执行的操作可以理解为"字符串化"。

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#define PRINT(n) printf("the value of "#n"is %d",n)

之所以通过#运算符进行字符串化，是因为在字符串中，#define是不会进行替换的。

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printf("the value of ""a""is %d",a);

##运算符

##运算符可以把位于它两边的符号合成一个符号，它允许宏定义从分离的文本片段创立标识符。##被称为记号粘连。

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int int_max(int x, int y)
{
	return x > y ? x : y;
}

float float_max(float x, float y)
{
	return x > y ? x : y;
}

由于类型的不同，这个比较大小的功能必须分为两个函数进行实现。

下面是一个定义宏，通过下面的定义宏将类型作为参数，替换函数中的类型。

其中\是换行符，type_max如果直接书写就是函数名称了，分开书写，然后用##来粘合，就可以实现替换函数名。

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#define GENERIC_MAX(type)\
type type##_max(type x,type y)\
{\
    return (x>y?x:y);\
}

GENERIC_MAX(int)
GENERIC_MAX(float)//等同于上面两个函数的代码

命名约定

一般来说函数和宏语法很相似，所以语言本身没法帮助我们区分二者。

那我们平时的一个习惯是

把宏名全部大写
函数名不全部大写

#undef

我们直到#define name就是定义一个常量，#undef就是取消宏定义。

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#define MAX 100
#undef MAX     //这里往后MAX就取消宏定义，不能直接使用MAX了

条件编译

条件编译指令有

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#ifdef #if #endif #elif #else #ifndef

#if 表达式语句：后面加表达式，和if的意思一样，但是这个步骤是在预处理的时候完成的，如果表达式为假，就不会出现在后面的文件中。

#elif 表达式语句：和else if的意思一样，和#if搭配使用。

#else 语句：和else的意思一样。

#endif ：不同的是我们在使用完条件编译指令后，要加上#endif，表示预处理完成。

#ifdef : 意思：如果后面被定义，就执行后面的语句。

#ifndef : 意思：如果后面没被定义，就执行后面的语句。

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int main()
{
    #ifdef MAX
        printf("haha\n");
    #endif
    return 0;
}

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#if 常量表达式
        //...
#endif
//常量表达式由预处理器求值。
如：

#define __DEBUG__ 1
#if __DEBUG__
            //..
#endif

2.多个分⽀的条件编译
#if 常量表达式
            //...
#elif 常量表达式
            //...
#else
            //...
#endif

3.判断是否被定义
#if defined(symbol)
#ifdef symbol

#if !defined(symbol)
#ifndef symbol

4.嵌套指令
#if defined(OS_UNIX)
        #ifdef OPTION1
            unix_version_option1();
        #endif
        #ifdef OPTION2
            unix_version_option2();
        #endif
#elif defined(OS_MSDOS)
        #ifdef OPTION2
            msdos_version_option2();
        #endif
#endif

头文件的包含

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#incldue <filename>

库函数通过<>包含，会在指定的标准头文件位置查找头文件。

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#include "filename"

通过""包含，会先在源文件所在目录下查找，如果头文件未找到，编译器就会像查找库函数文件的方式一样去标准的头文件位置查找。

所以库函数也可以用""来包含，但是这样查找的效率就慢，也不容易区分库文件和本地头文件。

嵌套文件的包含

#include指令会将头文件进行包含，在预处理阶段实现，但是如果是多个源文件的交互合作，那么程序会对同一个头文件多次包含，那么就会在大大增加程序包含的代码量。

所以我们通过条件编译解决头文件多次引用问题：

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ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
//头⽂件的内容
#endif 

//或者
#pragma once

当头文件被第一次引用时，就会定义__TEST_H__,那么在第二次打开的时候，__TEST_H__就已经被定义，因为#ifndef,头文件就不会再次包含。