C语言--预处理详解

Tanecious.2025-03-03 9:55

预处理详解

1. 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。

  • __FILE__ //进行编译的源文件
  • __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__ //如果编译器遵循ANSI C，其值为1，否则未定义

举个例子：

c 复制代码 
printf("file:%s line:%d\n", __FILE__, __LINE__);

2. #define定义常量

基本语法：

c 复制代码 
#define name stuff

举个例子：

c 复制代码 
#define MAX 1000
#define reg register          //为 register这个关键字，创建一个简短的名字
#define do_forever for(;;)     //用更形象的符号来替换一种实现
#define CASE break;case        //在写case语句的时候自动把 break写上。

// 如果定义的 stuff过⻓，可以分成⼏⾏写，除了最后⼀⾏外，每⾏的后⾯都加⼀个反斜杠(续⾏符)。 
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \
 							date:%s\ttime:%s\n" ,\
 							__FILE__,__LINE__ , \
 							__DATE__,__TIME__ )

思考：在define定义标识符的时候，要不要在最后加上 ;？

比如：

#define MAX 1000;
#define MAX 1000

建议不要加上 ;，这样容易导致问题。

比如下面的场景：

c 复制代码 
if(condition)
    max = MAX;
else
    max = 0;

如果是加了分号的情况，等替换后，if和else之间就是2条语句，而没有大括号的时候，if后边只能有一条语句。这时会出现语法错误。

3. #define定义宏

#define机制包括了一个规定，允许把参数替换到文本中，这种实现通常称为宏（macro）或定义宏（define macro）。

下方是宏的声明方式：

c 复制代码 
#define name( parament-list ) stuff

其中的 parament-list 是⼀个由逗号隔开的符号表，它们可能出现在stuff中。

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。

举例：实现一个宏，求平方

c 复制代码 
#define SQUARE( x ) x * x

这个宏接收⼀个参数x .如果在上述声明之后，你把 SQUARE( 5 ); 置于程序中，预处理器就会⽤ 下⾯这个表达式替换上⾯的表达式： 5 * 5

警告：

这个宏存在⼀个问题：

观察下⾯的代码段：

c 复制代码 
int a = 5;
printf("%d\n" ,SQUARE( a + 1) );

乍⼀看，你可能觉得这段代码将打印36，事实上它将打印11，为什么呢？

替换⽂本时，参数x被替换成a+1,所以这条语句实际上变成了：

c 复制代码 
 printf ("%d\n",a + 1 * a + 1 );

这样就⽐较清晰了，由替换产⽣的表达式并没有按照预想的次序进⾏求值。

在宏定义上加上两个括号，这个问题便轻松的解决了：

c 复制代码 
#define SQUARE(x) (x) * (x)

这样预处理之后就产⽣了预期的效果：

c 复制代码 
printf ("%d\n",(a + 1) * (a + 1) );

这⾥还有⼀个宏定义：

c 复制代码 
#define DOUBLE(x) (x) + (x)

定义中我们使⽤了括号，想避免之前的问题，但是这个宏可能会出现新的错误。

c 复制代码 
int a = 5;
printf("%d\n" ,10 * DOUBLE(a));

这将打印什么值呢？看上去，好像打印100，但事实上打印的是55.

我们发现替换之后：

c 复制代码 
printf ("%d\n",10 * (5) + (5));

乘法运算先于宏定义的加法，所以出现了 55 . 这个问题，的解决办法是在宏定义表达式两边加上⼀对括号就可以了。

c 复制代码 
#define DOUBLE( x) ( ( x ) + ( x ) )

提⽰：

所以⽤于对数值表达式进⾏求值的宏定义都应该⽤这种⽅式加上括号，避免在使⽤宏时由于参数中的 操作符或邻近操作符之间不可预料的相互作⽤。

4. 带有副作用的宏参数

当宏参数在宏的定义中出现超过一次的时候，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。

例如：

c 复制代码 
int a = 10;
int b = a + 1;//b = 11 a = 10
int b = ++a;  //b = 11 a = 11

上述表达式中对于b来说都是11，但是对于a来说第一个表达式没有改变a的值但是第二个表达式改变了a的值。

c 复制代码 
x+1;//不带副作⽤（不对x原本的值进行改变）
x++;//带有副作⽤（会对x中原本的值改变掉）

MAX宏可以证明具有副作⽤的参数所引起的问题。

c 复制代码 
\#define MAX(a, b) ( (a) > (b) ? (a) : (b) )
... 
x = 5; 
y = 8; 
z = MAX(x++, y++);
printf("x=%d y=%d z=%d\n", x, y, z);//输出的结果是什么？

这⾥我们得知道预处理器处理之后的结果是什么：

c 复制代码 
z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));
		5   >   8   ?   6   :   9

从左向右依次运算，所以输出的结果是：x=6 y=10 z=9

总结：

  • 在程序中使用宏定义，主要要明白宏的作用是替换，在预处理阶段会把程序中的宏名都换成宏体，所以如果发生这种使用两次相同的变量，并且两次变量的值还发生了改变，就会导致结果出错。
  • 但是如果以函数的方式编写上述代码则不会出现这种问题，因为函数的传参是一次性的，后续如果改变这个变量的值也仅仅会在下一次重新进入这个函数时才会将改变的变量值传给函数。

5. 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：

  1. 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。如果是，它们首先被替换。

    **eg：**示例代码第8行int m = MAX(M, 15);，在进行宏替换的时候，会先检测参数中有没有宏名，所以在此行代码中先将M替换。

  2. 替换文本随后被插入到程序中原来文本的位置。对于宏，参数名被他们的值所替换。

    **eg：**示例代码第8行int m = MAX(M, 15);，在经过规则一之后明白了需要先替换参数M，为100。

  3. 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。如果是，就重复上述处理过程。

    **eg：**示例代码第8行int m = MAX(M, 15);，在替换掉参数中的宏定义之后，也检测完确保参数中没有宏名之后，最后替换MAX。

注意：

  1. 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。

    **eg：**示例代码第2行#define N M+1，可以对已经进行宏定义的M继续作为N的宏定义条件。

  2. 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。

    **eg：**示例代码第9行printf("MAX(M. 15)");，最后打印在屏幕上的就是MAX(M. 15)，并不是将里面的宏进行替换。

示例代码：

c 复制代码 
#define M 100
#define N M+1

#define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y))

int maim()
{
    int m = MAX(M, 15);
    printf("MAX(M, 15)");
    
    return 0;
}

6. 宏函数的对比

宏通常被应用于执行简单的运算。

例如在两个数中找出较大的一个时，写成下面的宏，更有优势一些。

c 复制代码 
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

那为什么不⽤函数来完成这个任务？

原因有⼆：

  1. ⽤于调⽤函数和从函数返回的代码可能⽐实际执⾏这个⼩型计算⼯作所需要的时间更多。所以宏⽐函数在程序的规模和速度⽅⾯更胜⼀筹。

  2. 更为重要的是函数的参数必须声明为特定的类型。所以函数只能在类型合适的表达式上使⽤。反之 这个宏怎可以适⽤于整形、⻓整型、浮点型等可以⽤于> 来⽐较的类型。宏的参数是类型⽆关的。

和函数相⽐宏的劣势：

  1. 每次使⽤宏的时候，⼀份宏定义的代码将插⼊到程序中。除⾮宏⽐较短，否则可能⼤幅度增加程序 的⻓度。

  2. 宏是没法调试的。

  3. 宏由于类型⽆关，也就不够严谨。

  4. 宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程容易出现错。

宏有时候可以做函数做不到的事情。⽐如：宏的参数可以出现类型，但是函数做不到。

c 复制代码 
 \#define MALLOC(num, type)\ 
     (type*)malloc(num sizeof(type))

 ... 
//使⽤  
MALLOC(10, int);//类型作为参数   

//预处理器替换之后：  
(int *)malloc(10*sizeof(int));

宏和函数的一个对比：

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，程序的代码长度会大幅度增长 函数代码只出现在一个地方；每次使用函数时，都调用那个地方的同一份代码
执行速度 更快 存在函数的调用和返回的额外开销，可能会对性能产生一些影响
操作优先级 函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，否则附近操作符的优先级可能会产生不可预料的后果，所以建议在宏写的时候加上括号 函数参数只有函数调用时的时序值一次，结果值不涉及操作符。表达式的值能够预知
带有副作用的参数 宏可能被替换到宏体中的多个位置，如果宏的参数涉及多次计算，带有副作用的参数就可能会产生不预料的结果 函数参数只在传参时使用一次，参数易于控制
参数类型 宏的参数与类型无关，只要函数的参数类型合适，它就可以使用任何参数类型 函数的参数与类型相关，如果参数类型不同，就需要不同的函数，即使使用的任务是不同的
调试 宏是不方便调试的 函数可以通过调试
递归 宏是不可能递归的 函数可以递归调用

补充：函数和宏之间的抉择

实现的逻辑比较简单，不容易出错时使用宏，反之推荐使用函数。

7. #和##

7.1 #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。

#运算符所执⾏的操作可以理解为"字符串化"。

当我们有⼀个变量 int a = 10; 的时候，我们想打印出： the value of a is 10 .

还有一个浮点型变量float f = 5.5f的时候，想打印出：the value of f a is 5.5.

同时因为每次打印都需要同时改变前面的变量名和后面的值,并且每次打印的变量类型还会发生改变，所以使用函数封装这个语句是比较难以实现的，但是这个逻辑又是比较简单的，所以可以尝试利用宏来封装这个语句。

就可以在预处理时写：

c 复制代码 
#define PRINT(format, n)	printf("the value of "#n " is" format"\n", n);

当我们按照下⾯的⽅式调⽤的时候：

c 复制代码 
PRINT("%d", a);//当我们以%d的格式打印并把a替换到宏的体内时，就出现了#a，⽽#a就是转换为"a"，时⼀个字符串
PRINT("%f", f);

代码就会被预处理为：

c 复制代码 
printf("the value of ""a" " is %d\n", a);
printf("the value of ""f" " is %f\n", f);

**注意：**同时C语言中两个或多个字符串天然的可以结合合成一个字符串，虽然上述代码中有多个引号，看似将这几个字符串分隔开来其实在打印的时候将自动将这些字符串结合起来形成一个字符串。

运⾏代码就能在屏幕上打印：

c 复制代码 
the value of a is 10
the value of a is 5.5000000

7.2 ##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建标识符。 ##被称为记号粘合。

这样的连接必须产⽣⼀个合法的标识符。否则其结果就是未定义的。

这⾥我们想想，写⼀个函数求2个数的较⼤值的时候，针对不同的数据类型就得写不同的函数。

⽐如：

c 复制代码 
int int_max(int x, int y)
{
 return x>y?x:y;
}

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

但是这样写起来太繁琐了，现在我们这样写代码试试：

c 复制代码 
//宏定义 
#define GENERIC_MAX(type) 	   \
type type##_max(type x, type y)\
{ 							   \
 return (x>y?x:y); 			   \
}

使⽤宏，定义不同函数

c 复制代码 
GENERIC_MAX(int) //替换到宏体内后int##_max ⽣成了新的符号 int_max做函数名 
    //int_max(int x, int y){ return (x > y ? x : y)}
GENERIC_MAX(float) //替换到宏体内后float##_max ⽣成了新的符号 float_max做函数名 
    //float_max(int x, int y){ return (x > y ? x :y)}

int main()
{
 	//调⽤函数 
 	int m = int_max(2, 3);
	 printf("%d\n", m);
 	float fm = float_max(3.5f, 4.5f);
 	printf("%f\n", fm);
 	return 0;
}

输出：

c 复制代码 
3
4.500000

在实际开发过程中##使⽤的很少，很难取出⾮常贴切的例⼦。

8. 命名约定

一般来说函数的宏的使用语法很相似。所以语言本身没法帮我们区分二者。平时的习惯是：

  • 把宏名全部大写
  • 函数名不要全部大写

9. #undef

这条指令用于移除一个宏定义。

c 复制代码 
#undef NAME
//如果现存的⼀个名字需要被重新定义，那么它的旧名字⾸先要被移除

10. 命令行定义

许多C的编译器提供了一个能力，允许在命令行中定义符号，用于启动编译过程。

例如：当我们根据同⼀个源⽂件要编译出⼀个程序的不同版本的时候，这个特性有点⽤处。（假定某 个程序中声明了⼀个某个⻓度的数组，如果机器内存有限，我们需要⼀个很⼩的数组，但是另外⼀个 机器内存⼤些，我们需要⼀个数组能够⼤些。）

c 复制代码 
#include <stdio.h>

int main()
{
 	int array [ARRAY_SIZE];
 	int i = 0;
 	for(i = 0; i< ARRAY_SIZE; i ++)
 	{
 		array[i] = i;
 	}
 	for(i = 0; i< ARRAY_SIZE; i ++)
 	{
 		printf("%d " ,array[i]);
 	}
 	printf("\n" );
 	return 0;
}

编译指令：

c 复制代码 
//linux 环境演⽰ 
gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c
    //用gcc来编译的时候用-D选项来指定ARRAY_SIZE的值为10,并指定最后生成的可执行文件的文件名是programe.c

11. 条件编译

在编译一个程序的时候我们如果要将一条语句（一组语句）编译或者放弃（让其不参与编译）是很方便的。

因为我们有条件编译指令。满足条件，参与编译。不满足条件，不参与编译。

比如说：

调试性的代码，删除可惜，保留⼜碍事，所以我们可以选择性的编译。

示例代码：

c 复制代码 
#include <stdio.h>

#define __DEBUG__

int main()
{
 	int i = 0;
 	int arr[10] = {0};
 	for(i=0; i<10; i++)
 	{
 		arr[i] = i;
 		#ifdef __DEBUG__
		printf("%d\n", arr[i]);//为了观察数组是否赋值成功，调试性语句。  
 		#endif //__DEBUG__
 	}
 	return 0;
}

常⻅的条件编译指令：

c 复制代码 
//1.单分支的条件编译
#if 常量表达式
 	//...
#endif
//常量表达式由预处理器求值，如果使用变量仍不编译。 
//为真参与编译，为假不参与编译
如：
#define __DEBUG__ 1

int main()
{
#if __DEBUG__
 	printf("hehe");
#endif
//条件判断为真，参与编译，在屏幕上打印hehe
    return 0;
}

//2.多个分⽀的条件编译
#if 常量表达式
    //...
#elif 常量表达式
 	//...
#else
 	//...
#endif
如：
#define M 1
int main()
{
#if M == 1
    printf("hehe\n");
#elif M == 3
    printf("haha\n");
#elif M == 4
    printf("呵呵\m");  
#endif
    return 0;
}
//根据分支一条条判断，为真即参与编译，最后在屏幕上打印hehe

//3.判断是否被定义
#if defined(symbol)//看symbol有没有被定义，被定义则参与编译
#ifdef symbol
    
#if !defined(symbol)
#ifndef symbol
如：
#define ZHANGSAN 0//真假不重要，只要定义了即可
    
int main()
{
#if defined(ZHANGSAN)
    printf("zhangsan\n");//前面被定义，故参与编译
#endif
    return 0;
}
    
//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

**补充：**以上代码一般用于跨平台性代码编写。

12. 头文件的包含

12.1 头文件被包含的方式

12.1.1 本地文件包含
c 复制代码 
#include "filename"

查找策略：先在源⽂件所在⽬录下查找，如果该头⽂件未找到，编译器就像查找库函数头⽂件⼀样在 标准位置查找头⽂件。

如果找不到就提⽰编译错误。

Linux环境的标准头⽂件的路径：

c 复制代码 
/usr/include

VS环境的标准头⽂件的路径：、

c 复制代码 
C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 12.0\VC\include
//这是VS2013的默认路径

注意按照⾃⼰的安装路径去找。

12.1.2 库文件包含
c 复制代码 
#include <filename.h>

查找头⽂件直接去标准路径下去查找，如果找不到就提⽰编译错误。

这样是不是可以说，对于库⽂件也可以使⽤ "" 的形式包含？

答案是肯定的，可以，但是这样做查找的效率就低些，当然这样也不容易区分是库⽂件还是本地⽂件了。

12.2 嵌套文件包含

我们已经知道， #include 指令可以使另外⼀个⽂件被编译。就像它实际出现于 #include 指令的 地⽅⼀样。

这种替换的⽅式很简单：预处理器先删除这条指令，并⽤包含⽂件的内容替换。

⼀个头⽂件被包含10次，那就实际被编译10次，如果重复包含，对编译的压⼒就⽐较⼤。

test.c

c 复制代码 
#include "test.h"
#include "test.h"
#include "test.h"
#include "test.h"
#include "test.h"

int main()
{
 
 	return 0;
}

test.h

c 复制代码 
void test();

struct Stu

{
 int id;
 char name[20];
};

如果直接这样写，test.c⽂件中将test.h包含5次，那么test.h⽂件的内容将会被拷⻉5份在test.c中。

如果test.h⽂件⽐较⼤，这样预处理后代码量会剧增。如果⼯程⽐较⼤，有公共使⽤的头⽂件，被⼤家 都能使⽤，⼜不做任何的处理，那么后果真的不堪设想。

如何解决头⽂件被重复引⼊的问题？答案：条件编译。

每个头⽂件的开头写：

c 复制代码 
#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__

//头⽂件的内容 

#endif //__TEST_H__

或者

c 复制代码 
#pragma once

就可以避免头⽂件的重复引⼊。

注：

推荐《⾼质量C/C++编程指南》中附录的考试试卷（很重要）。

笔试题：

  1. 头⽂件中的ifndef/define/endif是⼲什么⽤的?

防止一个头文件被多次包含。

  1. #include<filename.h>和#include"filename.h"有什么区别?

区别主要在查找策略上，前者针对标准库头文件的引入，后者主要针对本地自行创建头文件的引入。

13. 其他预处理指令

c 复制代码 
#error
#pragma
#line
...
不做介绍，⾃⼰去了解。

#pragma pack()在结构体部分介绍。

参考《C语⾔深度解剖》学习

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