C语言16--宏定义和关键字

预处理

在C语言程序源码中，凡是以井号（#）开头的语句被称为预处理语句，这些语句严格意义上并不属于C语言语法的范畴，它们在编译的阶段统一由所谓预处理器（cc1）来处理。所谓预处理，顾名思义，指的是真正的C程序编译之前预先进行的一些处理步骤，这些预处理指令包括：

头文件：#include
定义宏：#define
取消宏：#undef
条件编译：#if、#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif
显示错误：#error
修改当前文件名和行号：#line
向编译器传送特定指令：#progma

基本语法
- 一个逻辑行只能出现一条预处理指令，多个物理行需要用反斜杠 \ 连接成一个逻辑行
- 预处理是整个编译全过程的第一步：预处理 - 编译 - 汇编 - 链接
- 可以通过如下编译选项 ( -E )来指定来限定编译器只进行预处理操作：

cpp 复制代码

gcc example.c -o example.i -E

宏的概念

宏（macro）实际上就是一段特定的字串，在源码中用以替换(无脑)为指定的表达式。例如：

cpp 复制代码

#define PI 3.14

此处，PI 就是宏（宏一般习惯用大写字母表达，以区分于变量和函数，但这并不是语法规定，只是一种习惯），是一段特定的字串，这个字串在源码中出现时，将被替换为3.14。例如：

cpp 复制代码

int main()
{
    printf("圆周率: %f\n", PI); 
    // 此语句将被替换为：printf("圆周率: %f\n", 3.14);
}

宏的作用：
- 使得程序更具可读性：字串单词一般比纯数字更容易让人理解其含义。
- 使得程序修改更易：修改宏定义，即修改了所有该宏替换的表达式。
- 提高程序的运行效率：程序的执行不再需要函数切换开销，而是就地展开。

无值宏定义

定义宏的时候，不一定需要带值，无值的宏定义经常在条件编译中作为判断条件出现，例如：

cpp 复制代码

#define BIG_ENDIAN
#define __cplusplus

无参（参数）宏

无参宏意味着使用宏的时候，无需指定任何参数，比如：

cpp 复制代码

#define PI          3.14
#define SCREEN_SIZE 800*480*4 
int main()
{
    // 在代码中，可以随时使用以上无参宏，来替代其所代表的表达式：
    printf("圆周率: %f\n", PI); 
    mmap(NULL, SCREEN_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, ...);
}

注意到，上述代码中，除了有自定义的宏，还有系统预定义的宏：

cpp 复制代码

// 自定义宏:
#define PI          3.14
#define SCREEN_SIZE 800*480*4 

// 系统预定义宏
#define NULL ((void *)0)
#define PROT_READ    0x1    /* Page can be read.  */
#define PROT_WRITE    0x2    /* Page can be written.  */
#define MAP_SHARED    0x01    /* Share changes.  */

宏的最基本特征是进行直接文本替换，以上代码被替换之后的结果是：

cpp 复制代码

int main()
{
    printf("圆周率: %f\n", 3.14); 
    mmap(((void *)0), 800*480*4, 0x1|0x2, 0x01, ...);
}

带参宏

带参宏意味着宏定义可以携带"参数"，从形式上看跟函数很像，例如：

cpp 复制代码

#define MAX(a, b)   a>b ? a : b
#define MIN(a, b)   a<b ? a : b

以上的MAX(a,b) 和 MIN(a,b) 都是带参宏，不管是否带参，宏都遵循最初的规则，即宏是一段待替换的文本，例如在以下代码中，宏在预处理阶段都将被替换掉：

cpp 复制代码

int main()
{
    int x = 100, y = 200;
    printf("最大值:%d\n", MAX(x, y));
    printf("最小值:%d\n", MIN(x, y));
    // 以上代码等价于:
    // printf("最大值:%d\n", x>y ? x : y);
    // printf("最小值:%d\n", x<y ? x : y);
}

带参宏的特点：

1. 直接文本替换，不做任何语法判断，更不做任何中间运算。
2. 宏在编译的第一个阶段就被替换掉，运行中不存在宏。
3. 宏将在所有出现它的地方展开，这一方面牺牲了内存空间，另一方面有节约了切换时间。

带参宏的副作用

由于宏仅仅做文本替换，中间不涉及任何语法检查、类型匹配、数值运算，因此用起来相对函数要麻烦很多。例如：

cpp 复制代码

#define MAX(a, b) a>b ? a : b

int main()
{
    int x = 100, y = 200;
    printf("最大值:%d\n", MAX(x, y==200?888:999));
}

直观上看，无论 y 的取值是多少，表达式 y==200?888:999 的值一定比 x 要大，但由于宏定义仅仅是文本替换，中间不涉及任何运算，因此等价于：

cpp 复制代码

printf("最大值:%d\n", x>y==200?888:999 ? x : y==200?888:999);

可见，带参宏的参数不能像函数参数那样视为一个整体，整个宏定义也不能视为一个单一的数据，事实上，不管是宏参数还是宏本身，都应被视为一个字串，或者一个表达式，或者一段文本，因此最基本的原则是：

cpp 复制代码

#define MAX(a, b) ((a)>(b) ? (a) : (b))

typedef、extern和define关键字的详细总结：

static关键字

作用：在C语言中，static关键字有多种用途，它可以用于函数、变量和全局变量。

static修饰局部变量：使之由栈内存临时数据，变成了静态数据（存储与数据段）。
static修饰全局变量：使之由各文件可见的静态数据，变成了本文件可见（缩小可见范围、降低同名冲突的概率）的静态数据。
static修饰函数：使之由各文件可见的函数，变成了本文件可见（缩小可见范围、降低同名冲突的概率）的静态函数。

const关键字

const型指针有两种形式：①常指针 ②常目标指针

常指针：const修饰指针本身，表示指针变量本身无法修改。
常目标指针：const修饰指针的目标，表示无法通过该指针修改其目标。
const修饰变量,变量的值修饰为常量不可修改

typedef关键字

作用：typedef关键字用于创建类型的别名，可以为现有的数据类型定义一个新的名字。
- typedef int int32_t; // 将类型 int 取个别名，称为 int32_t
- typedef long int64_t;// 将类型 long 取个别名，称为 int64_t

extern关键字

作用：extern关键字用于声明一个变量或函数是在其他文件中定义的。
使用方法：在一个文件中使用extern关键字声明一个变量或函数，表示该变量或函数是在其他文件中定义的。
注意事项：使用extern关键字声明的变量或函数在当前文件中并不分配存储空间，只是告诉编译器该变量或函数在其他文件中定义。

结语：

在这篇博客中，我们深入探讨了 C 语言中的宏定义与关键字的运用和特点。宏定义作为预处理器指令，为代码提供了灵活性与可维护性，使得程序员能够轻松地创建复杂的表达式、常量以及代码块。同时，C 语言的关键字则是我们构建程序逻辑的基石，它们定义了语言的语法规则和结构，确保代码的正确性和可读性。

理解宏定义与关键字不仅有助于提高我们的编程技巧，还能让我们更有效地优化和简化代码。作为 C 语言程序员，掌握这些元素使我们能更加高效地应对各种编程挑战，并提升解决问题的能力。