37 预处理器与预处理指令、宏定义（定义常量、数据类型、替换文本、嵌套与取消）、带参宏（细节处理、与函数的区别）

news2024/10/4 21:22:40

目录

1 预处理器

2 预处理指令

2.1 位置

2.2 格式

2.3 换行

2.4 结束符

2.5 位置限制

3 宏定义

3.1 语法格式

3.2 使用宏定义常量

3.3 使用宏定义数据类型

3.4 宏定义的替换文本

3.5 宏定义嵌套

3.6 取消宏定义

4 带参数的宏定义

4.1 语法格式

4.2 案例演示

4.3 注意事项

4.3.1 宏名和形参列表之间不能有空格

4.3.2 可以省略形参的数据类型

4.3.3 形参和表达式建议使用小括号包裹

4.3.4 宏定义的优先级高于编译器的语法解析

4.3.5 不会进行语法检查

4.4 带参宏定义和函数的区别

4.4.1 对比总结表

4.4.2 案例对比演示

1 预处理器

        C 语言编译器在编译程序之前，会先使用预处理器（preprocessor）处理代码。

        预处理器的任务是对源代码进行初步处理，生成经过预处理的中间代码，然后再将这些中间代码送入编译器进行编译。

        预处理器的主要任务包括：

  • 宏替换：用特定的文本替换宏定义中的标识符。
  • 文件包含：将指定的文件内容插入到当前文件中。
  • 条件编译：根据条件选择性地编译某些代码段。
  • 其他任务：如删除注释、展开行号和文件名信息等。

2 预处理指令

        预处理指令以 # 号开头，用于指导预处理器执行不同的任务。预处理指令具有以下特点：

2.1 位置

        预处理指令通常应该放在代码的开头部分，但在某些情况下也可以放在代码的其他地方。

        强烈建议将预处理指令放在文件的顶部，以提高代码的可读性和可维护性。

2.2 格式

        预处理指令都以 # 开头，指令前面可以有空白字符（比如空格或制表符），# 和指令的其余部分之间也可以有空格，但为了兼容老的编译器，一般不留空格。

// 推荐写法
#include <stdio.h> // 可以使用格式化代码工具

// 不推荐写法
    #include<stdio.h>
#include    <stdio.h>
#     include     <stdio.h>

2.3 换行

        预处理指令默认是一行的，如果需要折行，可以在行尾使用反斜杠 \。

#include <std\
io.h>

2.4 结束符

        预处理指令不需要分号作为结束符，指令结束是通过换行符来识别的。

#include <stdio.h>; 	// 这里有分号会报错
#define PI 3.14;    	// 分号会成为 PI 的值的一部分

2.5 位置限制

        预处理指令通常不能写在函数内部，尽管某些编译器的扩展允许这样做，但强烈不建议这么做，以保持代码的可移植性和一致性。

int main () 
{
    // 一般不允许写在这里
    #include <stdio.h>
    return 0;
}

3 宏定义

3.1 语法格式

        宏定义是 C 语言预处理器的一种功能，用于用一个标识符（宏名称）来表示一个替换文本。如果在后面的代码中出现了宏名称，预处理器会将它替换为对应的文本，这一过程称为宏替换或宏展开。

        宏定义的基本语法形式如下：

#define 宏名称 替换文本
  • 宏名称：宏的名称，是一个标识符，通常使用大写字母表示，以便与变量名区分开来。
  • 替换文本：宏名称在代码中的每次出现都会被替换为这段文本【纯粹的文本替换】。

3.2 使用宏定义常量

        宏定义常量是一种常见的用法，可以用来定义一些固定的数值，这样可以在代码中统一管理和修改这些常量。

#include <stdio.h>

// 定义常量 PI
#define PI 3.14

int main() {
    // 定义变量保存半径，值通过用户输入获取
    double radius;
    printf("请输入半径：");
    scanf("%lf", &radius);

    // 计算面积并输出
    double area = PI * radius * radius;
    printf("圆的面积：%.2f\n", area);

    return 0;
}

        在上面的示例中，使用宏定义声明了常量 PI，在后续代码中，每次出现 PI 都会被预处理器替换为 3.14。

        可以在终端中输入预处理指令：gcc -E 源文件名.c -o 源文件名.i ，然后查看生成的 “源文件名.i” 的文件内容，如下所示：

3.3 使用宏定义数据类型

        在 C 语言中，宏定义不仅可以用来定义常量，还可以用来定义数据类型。通过宏定义数据类型，可以使代码更具可读性和可维护性。下面是一个具体的示例，展示了如何使用宏定义来定义布尔类型。

#include <stdio.h>

// 宏定义布尔类型
#define BOOL int
#define TRUE 1
#define FALSE 0

int main() {
    // 使用宏定义的布尔类型表示真假两种状态
    BOOL isPass = FALSE;
    BOOL isOk = TRUE;

    if (isPass) {
        printf("Pass\n");
    } else {
        printf("Not Pass\n");
    }

    if (isOk) {
        printf("Ok\n");
    } else {
        printf("Not Ok\n");
    }

    return 0;
}

        在上面的示例中，使用宏定义声明了 BOOL、TURE、FALSE，在后续代码中，每次出现 BOOL 都会被预处理器替换为 int，每次出现 TRUE 都会替换成 1，每次出现 FALSE 都会替换成 0。

3.4 宏定义的替换文本

        宏定义的替换文本可以包含任何字符，它可以是字面量、表达式、if 语句、函数调用等。预处理程序对替换文本不作任何检查，直接进行文本替换【纯粹的文本替换】。如果有错误，只能在编译已被宏展开后的源程序时发现。

#include <stdio.h>

// 宏定义
#define M (n * n + 3 * n)
#define PRINT_SUM printf("sum=%d\n", sum)

int main()
{
    int n = 3;
    int sum = 3 * M + 4 * M + 5 * M;
    // 宏展开 3 * (n * n + 3 * n) + 4 * (n * n + 3 * n) + 5 * (n * n + 3 * n);
    PRINT_SUM;
    // 宏展开 printf("sum=%d\n", sum);

    return 0;
}

3.5 宏定义嵌套

        宏定义允许嵌套，即在宏定义的替换文本中可以使用已经定义的宏名。在宏展开时，预处理程序会层层替换这些宏名。

#include <stdio.h>

// 定义常量 PI
#define PI 3.1415926

// 定义计算圆面积的宏，使用已定义的 PI
#define S PI * r * r

int main() {
    int r = 2;
    printf("%f\n", S); // 宏替换变为 printf("%f", 3.1415926 * r * r);

    return 0;
}

        可以在终端中输入预处理指令：gcc -E 源文件名.c -o 源文件名.i ，然后查看生成的 “源文件名.i” 的文件内容，如下所示：

3.6 取消宏定义

#undef 宏名

        如需取消宏定义，可以使用 “#undef 宏名” 命令。“#undef 宏名” 命令用于取消先前通过 #define 指令定义过的宏，使得该宏在后续代码中不再有效。

        如果尝试取消一个未定义的宏，#undef 指令将被忽略，不会产生错误。

#include <stdio.h>

// 定义常量 PI
#define PI 3.14159

void func1()
{
    printf("PI=%f\n", PI); // 这里可以使用 PI
}

int main()
{
    printf("PI=%f\n", PI); // 这里可以使用 PI

#undef PI // 取消宏定义

    // 下面的代码会出错，因为 PI 已经被取消定义
    printf("PI=%f\n", PI);

    return 0;
}

void func2()
{
    // 下面的代码会出错，因为 PI 已经被取消定义
    printf("PI=%f\n", PI);
}

        一旦宏被取消定义，之后在代码中再尝试使用该宏将导致编译错误，报错如下所示：

4 带参数的宏定义

4.1 语法格式

        C 语言允许宏带有参数。在宏定义中的参数称为 “形式参数”，在宏调用中的参数称为 “实际参数”，这一点与函数类似。对带参数的宏，在展开过程中不仅要进行文本替换，还要用实际参数去替换形式参数。

        带参宏定义的一般形式如下所示：

#define 宏名(形参列表) 替换文本
// 这里的“宏名”和紧随其后的左括号“(”之间不能有任何空格
  • 宏名：宏的名称，通常使用大写字母表示。
  • 形参列表：宏的形式参数列表，用逗号分隔。
  • 替换文本：宏定义的替换文本，可以包含形式参数。

        带参宏调用的一般形式如下所示：

宏名(实参列表);
  • 实参列表：宏调用时的实际参数列表，用逗号分隔。

4.2 案例演示

        使用宏定义，返回两数最大值。

#include <stdio.h>

// 定义带参数的宏
//  1. MAX 就是带参数的宏
//  2. (a,b) 就是形参
//  3. (a>b) ? a : b是带参数的宏对应字符串，该字符串中可以使用形参
// #define MAX(a, b) (a > b) ? a : b
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b)) // 建议使用括号包裹形参

int main()
{
    int x, y, max;
    printf("输入两个数字: ");
    scanf("%d %d", &x, &y);

    // 调用带参数的宏
    // 1. MAX(x, y); 调用带参数宏定义
    // 2. 在宏替换时,预处理器会进行文本替换，同时会使用实参去替换形参
    // 3. 即 MAX(x, y) 宏替换成：((x) > (y) ? (x) : (y))
    max = MAX(x, y);
    printf("最大值: %d\n", max);

    return 0;
}

4.3 注意事项

4.3.1 宏名和形参列表之间不能有空格

        带参宏定义中，形参之间可以出现空格，但是宏名和形参列表之间不能有空格出现。否则会导致编译错误。因为：预处理器在处理宏定义时，会严格按照语法解析宏定义。如果宏名和形参列表之间有空格，预处理器会将空格之后的内容视为宏定义的替换文本的一部分，而不是形参列表。这会导致宏定义的语法错误或不符合预期的行为。

        但是，对于函数而言，函数名和紧随其后的左括号 “(” 之间可以有空格。

#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))  // 正确
#define MAX (a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))  // 错误

4.3.2 可以省略形参的数据类型

        在带参宏定义中，不会为形式参数分配内存，因此不必指明数据类型。但是，对于函数而言，在函数原型声明或定义时，形参名虽然可以省略，但是形参的数据类型不可以省略。

        在带参宏调用中，实际参数包含了具体的数据，需要用它们去替换形式参数，因此实际参数必须指明数据类型，同函数调用时实参一样。

#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
int x = 5, y = 10;
int max = MAX(x, y);  // 正确

4.3.3 形参和表达式建议使用小括号包裹

        在宏定义中，替换文本内的形参建议使用括号括起来以避免出错。特别是当形参参与复杂的表达式时，括号可以确保表达式的正确性，以避免因运算符优先级导致的错误。

        宏定义可能会导致意外的副作用，特别是在带参数的宏中。为了避免副作用，可以使用括号包围宏定义中的表达式。 

#include <stdio.h>

// 使用括号的宏定义
#define ADD_WITH_PARENS(a, b) ((a) + (b))
#define SQ_WITH_PARENS(y) ((y) * (y))

// 不使用括号的宏定义
#define ADD_WITHOUT_PARENS(a, b) a + b
#define SQ_WITHOUT_PARENS(y) y * y

int main()
{
    int x = 3, y = 2;

    // 使用括号的宏定义
    int result1_with_parens = ADD_WITH_PARENS(x + 1, y + 1);
    int result2_with_parens = SQ_WITH_PARENS(x + 1);

    // 输出结果
    printf("使用括号的宏定义:\n");
    printf("result1_with_parens = %d\n", result1_with_parens); // 期望结果是 7，实际结果是 7
    printf("result2_with_parens = %d\n", result2_with_parens); // 期望结果是 16，实际结果是 16

    // 不使用括号的宏定义
    int result1_without_parens = ADD_WITHOUT_PARENS(x + 1, y + 1);
    int result2_without_parens = SQ_WITHOUT_PARENS(x + 1);

    // 输出结果
    printf("\n不使用括号的宏定义:\n");
    printf("result1_without_parens = %d\n", result1_without_parens); // 期望结果是 7，实际结果是 7
    // 替换过程：x + 1 +  y + 1
    printf("result2_without_parens = %d\n", result2_without_parens); // 期望结果是 16，实际结果是 7
    // 替换过程：x + 1 * x + 1

    return 0;
}

4.3.4 宏定义的优先级高于编译器的语法解析

        宏定义的替换发生在编译之前，因此优先级高于编译器的语法解析。

#include <stdio.h>

#define X 10
#define Y 20
#define Z ((X) + (Y))

int main()
{
    int result = Z * 10;
    printf("%d", result); // 结果是 300，而不是 210，表达式不加括号的话就是 210

    return 0;
}

4.3.5 不会进行语法检查

        宏定义可以包含复杂的表达式、if 语句、函数调用等，但预处理器不会对这些内容进行语法检查，因此错误只能在编译阶段发现。

#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define PRINT_IF_TRUE(cond, msg) if (cond) { printf("%s\n", msg); }

4.4 带参宏定义和函数的区别

4.4.1 对比总结表

特性带参宏定义（Macro）函数（Function）
本质文本替换可重用的代码块
处理时机编译前由预处理器处理编译阶段由编译器处理
计算不对表达式进行计算，仅是文本替换会对表达式进行计算，执行代码
内存占用不占用内存（在编译前已处理）会占用内存（代码段）
开销没有函数调用的开销（直接替换）有函数调用开销（参数传递、栈帧管理等）
优化无法享受编译器的优化（因为仅是文本替换）可以享受编译器的优化（类型检查、代码优化等）
安全性容易引入副作用，特别是在复杂表达式中类型安全，编译阶段进行类型检查和优化
可读性代码可读性较差，难以调试代码可读性和可维护性更好，易于理解和调试
适用场景适用于简单、高效的代码片段替换适用于需要复用、类型安全、可调试的代码块

4.4.2 案例对比演示

        分别使用函数和带参数的宏计算平方值。

函数实现：

#include <stdio.h>

// 定义计算平方的函数
int SQ(int y)
{
    return y * y;
}

int main()
{
    int i = 1;
    while (i <= 5)
    {
        printf("%d\n", SQ(i++)); // 1 4 9 16 25
    }
    printf("i=%d", i); // i=6

    return 0;
}

带参数的宏实现：

#include <stdio.h>

// 定义计算平方的宏
#define SQ(y) ((y) * (y))

int main()
{
    int i = 1;

    while (i <= 5)
    {
        // SQ(i++) 会被宏替换为 ((i++) * (i++)),
        printf("%d\n", SQ(i++)); // 错误操作，i++ 会执行两次，最终无法得到我们想要的结果

        // 修改成下面的就可以了
        // printf("%d\n", SQ(i));
        // i++;
    }
    printf("i=%d", i); // i=7

    return 0;
}

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