【C语言】预处理指令详解

一、预定义符号

二、#define 定义常量

三、#define 定义宏

（1）宏定义的使用

（2）带副作用的宏参数

（3）宏替换的规则

（4）宏与函数对比

（5）#和##

① #运算符

② ##运算符

（6）宏的命名规则

（7）#undef

四、命令行定义

五、条件编译

（1）条件编译的使用

（2）常见的条件编译

① 基础的条件编译

② 多个分支的条件编译

③ 判断是否被定义

④ 嵌套指令

六、头文件的包含

（1）头文件被包含的方式

① 本地文件包含

② 库文件包含

（2）嵌套文件包含

① 嵌套文件包含的概念

② 嵌套文件包含的解决方法

七、其它预处理指令

一、预定义符号

预定义符号，会在预处理阶段，被直接替换为它的内容。

预定义符号有：

__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

在 VS 环境中演示，预定义符号__STDC__不可使用：

用 gcc 编译器演示，gcc 遵循标准C：

执行命令 gcc -E test.c -o test.i（进行预处理），打开 test.i：

二、#define 定义常量

#define 定义常量，会在预处理阶段，将代码中的名字直接替换为内容。

语法形式：

#define name stuff
// name: 名字
// stuff: 内容
// 举例：
#define M 100

在其它场景下的用法：

#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__ )

示例代码：

预处理后的 test.i 文件：

有些语言的 switch 语句没有 break，使用这些语言的程序员再使用 C 语言就非常不习惯，老忘记加 break，像示例代码一样使用 #define 定义，编码时就不用写 break 了。

注意：#define 定义标识符，最后不加 ; 。

如下情况，#define 定义常量加了 ; ，发生错误：

预处理阶段，第 52 行被替换成 max = 100;;，表示两条语句。因为 if 语句没加{}，if 只跟一条语句，所以发生了错误。

三、#define 定义宏

（1）宏定义的使用

#define 定义宏，在预处理阶段，将代码中的名字(参数)，替换为宏的内容，并把参数带入内容中。

语法形式：

#define name( parament-list ) stuff
// name: 名字
// parament-list: 参数列表，由逗号隔开
// stuff: 内容

注意：name后应紧跟(，如果之间加了空格，会被认为 ( parament-list ) stuff 是 stuff，属于#define 定义标识符。

示例代码1：

预处理后的结果：

将参数改为 x+1（宏的参数是直接替换，而不计算）：

预处理后的结果：

改进代码（为了防止替换后，因操作符优先级等，导致运算顺序不是预料的结果，应尽量加小括号）：

预处理后的结果：

示例代码2：

改进代码：

（2）带副作用的宏参数

若宏参数带有副作用，并且在宏定义中同一个宏参数不止出现一次，那么这个宏可能会出现不可预料的结果。

赋值符号的右边是示例宏参数：

y = x+1;//执行后，对x不改变，不带副作用
y = x++;//执行后，对x改变，带有副作用

示例代码，期望获得 X、Y 两者最大值，但出现问题：

而定义函数，传入带副作用的参数，却不会出现问题：

结论：应避免使用带副作用的宏参数。

（3）宏替换的规则

调用宏时，首先对宏参数进行检查，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。

例如：

再次对结果文件进行扫描，看它是否包含任何由#define定义的符号。如果是，重复上述处理过程。

例如：

注意：

宏定义不能出现递归。

例如下面的错误示范：

预处理后的代码：

因为宏只进行一次替换，如果宏定义存在递归，那么替换不完全，会把剩下的宏认为是函数，但这个函数又没被定义，所以出现链接错误。

预处理器搜索#define定义的符号的时，字符串常量的内容并不被搜索。

例如：

（4）宏与函数对比

执行简单的计算时，宏比函数更有优势。

相比函数，宏的优势：

函数，需要函数调用、执行计算、函数返回；宏只需要直接执行计算；因此，宏比函数在程序规模和计算速度方面，更优。
函数的参数，必须声明特定的类型；宏的参数，类型无关。因此，宏比函数更灵活。

例如：计算两个数中的较大值。

函数的实现：

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

int main()
{
	int a = 7, b = 5;
	int m = Max(a, b);

	printf("m = %d\n", m);

	return 0;
}

宏定义实现：

#define MAX(X, Y) ((X) > (Y) ? (X) : (Y))

int main()
{

	int a = 7, b = 5;
	float m = MAX(a, b);
	//int m = ((a)>(b)?(a):(b));
	printf("m = %f\n", m);

	return 0;
}

调试，查看函数实现的汇编代码：

① 调用函数，执行了19条指令。

② 计算，执行了 9 条指令。

③ 返回函数，执行了10条指令。

调试，查看宏定义实现的汇编代码：

计算，执行了9条指令。

结论：因为函数的实现方法，需要创建函数栈帧，所以多了调用函数、返回函数的指令，在代码规模和计算速度上，明显比宏的实现方法差。

宏参数没有类型的限制，也可以传入浮点数：

相比函数，宏的劣势：

每使用一次宏，都会插入一段宏定义的代码，除非宏很短，否则会大幅增加程序的长度（宏在预处理阶段，会直接被替换成一大段宏的内容；而每次调用的函数，代码只需定义一次）。
宏无法调试（在预处理阶段，宏就已经被替换掉，而调试是在 .exe 文件生成后执行的操作）。
因为宏类型无关，所以不够严谨。
宏可能产生操作符优先级的问题，导致程序运行结果出乎意料（宏参数为表达式、宏参数带有副作用的情况）。

宏有时可以做函数做不到的事，比如宏参数可以是类型，但函数做不到。如下面的代码，只需要给宏传入元素个数、元素类型，就能实现动态开辟空间：

#define MALLOC(N, Type) (Type*)malloc(N * sizeof(Type))

int main()
{
	//int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	int* p = MALLOC(10, int);

	return 0;
}

总结宏和函数的对比：

属性	#define定义宏	函数
代码长度	每次使用宏，宏内容被替换到程序中，程序长度会大幅增加。	每次使用函数，都调用同一份函数定义的代码。（胜）
执行速度	更快。（胜）	会有调用函数、返回函数的额外开销。
操作符优先级	宏参数求值，在宏内容表达式的上下文环境里，容易产生邻近操作符优先级的问题，导致计算结果不可预料。要多使用圆括号。	函数参数求值，只在函数调用时求一次，传给函数，计算结果容易预测。（胜）
带有副作用的参数	带有副作用的参数，可能会被替换到宏内容表达式的多个位置，多次求值，产生不可预料的结果。	带有副作用的参数，只在函数调用时求值一次，结果容易预测。（胜）
参数类型	宏的参数类型无关，更灵活。（胜）	函数的参数定义了特定类型。
调试	不能调试。	可调试。（胜）
递归	不能递归。	可递归。（胜）

执行简单计算，使用宏；执行复杂计算，使用函数。当计算复杂时，计算的花销远大于调用函数、返回函数的花销，可以忽略不计。复杂的计算，使用函数，更不易出错。

在C++中引入了内联函数（inline），它既具备了函数的优势，又具备了宏的优势。

（5）#和##

① #运算符

作用：在宏定义的内容表达式中使用，可将宏参数转化为字符串。

先了解一个没见过的知识：

示例，我们想打印3句话，但是代码很重复：

红框是3句打印不同的部分，将它们作为宏参数，使用宏（由于预处理器不搜索程序中的字符串常量，所以红框中的v并没有被替换）：

此时，在宏定义的表达式中，使用#操作符，将传入的参数转为字符串：

② ##运算符

作用：在宏定义的内容表达式中使用，可将两个参数合成一个标识符（应是合法的标识符）。这被称为记号粘合。

示例，使用函数实现计算两个参数的较大值，但参数类型不同，函数的实现也不同，这样的代码很重复（红框中是不同的部分）：

使用宏定义和##，减少编程的繁琐：

预处理后的结果：

（6）宏的命名规则

使用宏和函数的语法非常相似，可以从命名规则角度区分它们。

宏名全部大写（如：MAX）。
函数名不要全部大写（如：Max）。

但这只是一个习惯，并不是定死的，C标准中也有宏定义是小写命名的：

（7）#undef

作用：移除一个#define定义。

示例：

四、命令行定义

一些C编译器，允许命令行定义符号。比如，我们有时想要用一个源文件，编译出不同版本程序。

示例，在程序中声明了 SIZE 长度的数组。在内存有限的机器上，我们想要很小的数组；在内存较大的机器上，我们想要较大的数组。这可以通过命令行定义（VS不支持，gcc 支持）实现，源代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int array[SIZE];
	int i = 0;
	for (i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		array[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		printf("%d ", array[i]);
	}
	printf("\n");
	return 0;
}

使用如下命令，定义 SIZE：

五、条件编译

（1）条件编译的使用

作用：选择一组语句编译或者不编译。

示例，调试性的代码，不想执行调试，但想保留代码，使用条件编译：

因为定义了 __DEBUG__，所以会编译 printf 语句，在预处理阶段，将 printf 语句保留了下来：

如果不想编译 printf 语句，就注释掉 __DEBUG__ 的定义：

预处理阶段，去掉了 printf 语句：

（2）常见的条件编译

① 基础的条件编译

语法形式：

#if 常量表达式
 //...
#endif

示例（预处理阶段，M被替换成5，常量表达式 5==1 为假，不编译 printf 语句）：

#define M 5

int main()
{

#if M==1
	printf("hehe\n");
#endif

	return 0;
}

② 多个分支的条件编译

语法形式：

#if 常量表达式
 //...
#elif 常量表达式
 //...
#else
 //...
#endif

示例（最终编译 printf("哈哈\n");）：

#define M 5

int main()
{

#if M==1
	printf("hehe\n");
#elif M==2
	printf("haha\n");
#elif M==3
	printf("heihei\n");
#else	
	printf("哈哈\n");
#endif

	return 0;
}

③ 判断是否被定义

语法形式1：

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

// 判断 symbol 是否没被定义
#if !defined(symbol)
// ...
#ifndef symbol

语法形式2：

// 判断 symbol 是否被定义
#ifdef symbol
// ...
//#endif

// 判断 symbol 是否没被定义
#ifndef symbol
// ...
#endif

示例代码（最终编译 printf("1hehe\n"); 和 printf("3hehe\n");）：

#define M

int main()
{
//判断M是否被定义过，关于值是多少，不关心
// 语法形式1
#if defined(M)
	printf("1hehe\n");
#endif

#if !defined(M)
	printf("2hehe\n");
#endif

// 语法形式2
#ifdef M
	printf("3hehe\n");
#endif

#ifndef M
	printf("4hehe\n");
#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

很少用到，只有在很大的项目中常用，比如打开 stdio.h 头文件看，就是用了很多条件编译指令（因为代码是跨平台的，根据不同的平台，有不同的代码）：

六、头文件的包含

（1）头文件被包含的方式

① 本地文件包含

语法形式：

#include "filename"

查找策略：先在源文件所在目录下找，如果没有，再在标准位置找，如果找不到就提示编译错误。

比如我的项目下的文件目录：

test.c 中包含了本地头文件 add.h，故先在 test.c 所在目录下找：

Linux 环境的标准头文件路径：

VS2013 环境默认的标准头文件路径：

// 根据自己实际的安装路径找
C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 12.0\VC\include

② 库文件包含

语法形式：

#include <filename.h>

查找策略：直接到标准路径下找，找不到就提示编译错误。

库文件包含也可以用 " "，但是这种方式会先查找源文件目录，再查找标准路径，会降低查找效率，也不易区分是本地文件还是库文件。

（2）嵌套文件包含

① 嵌套文件包含的概念

在预处理阶段，会把头文件包含的所有内容，替换到使用 #include 的文件中。如果同一个头文件被重复包含多次，在预处理后的文件中就会有许多重复的代码，使编译效率大大降低。

比如，A、B、C 3个文件都包含了头文件 add.h，文件 D 又对A、B、C 进行整合，相当于 D 重复包含了 3 次 add.h 头文件。对于大型工程，会包含3~5万个文件，如果重复包含头文件，而不作处理，其预处理后的文件中重复代码之多，后果不堪设想。

示例，test.c 重复包含头文件 add.h：

// test.c 中的内容
#include "add.h"
#include "add.h"
#include "add.h"
#include "add.h"
#include "add.h"

int main()
{
	return 0;
}

// add.h 中的内容
int Add(int x, int y);

test.c 预处理后的内容：

② 嵌套文件包含的解决方法

方法1：在头文件 add.h 中，使用条件编译

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

在源代码 test.c 中，第一次包含头文件 add.h，符号 __ADD_H__ 未被定义，编译 #define __ADD_H__ 和头文件的内容。test.c 后面再包含头文件 add.h，因为已经定义过 __ADD_H__，不再编译 #define __ADD_H__ 和头文件的内容。

示范：

// 更改后，add.h 中的内容
#ifndef __ADD_H__
#define __ADD_H__
int Add(int x, int y);
#endif

test.c 预处理后的内容：

方法2：在头文件中加以下内容（在 VS 中创建新的头文件，会自动包含这条语句）

#pragma once

注：在《高质量C/C++编程指南》中附录的考试试卷，就包含头文件包含相关笔试题目。

七、其它预处理指令

#error
#pragma
#line
...
更多参考《C语言深度解剖》

#pragma pack() 参考：【C语言】自定义类型——结构体-CSDN博客修改默认对齐数部分。
#pragma comment() 参考：【C语言】函数-CSDN博客多个文件，导入静态库部分。