• C语言之预处理


     这是2016年的最后一篇博客,年初定的计划是写12篇博客,每月一篇,1/3转载,2/3原创,看来是实现不了了! -- 题外话。今天要写的东西是C语言中的预处理器,我们常说的宏定义的用法。为什么要写这个东西呢,原因很简单:之前对预处理了解不深。如果你对C语言只是了解或者是仅仅在大学中学习过C语言,说到预处理估计你只知道下面这条语句:(因为我就是这种情况,哈哈!)

    1 #define name value

      我再学习预处理直接的驱动力是看了php的源码,开头一大推的宏定义器,之前'掌握'的一点#define的用法太少了,根本看不懂源码中宏的处理逻辑和运行的路径。所以再学习预处理器很有必要,里面好多东西其实并不难,只是你没有接触到,等你学习了,就感觉容易了。

      一、宏定义和使用中的坑

      这小节采用先给代码再说明的形式,这样你可以看看每个代码的运行结果是否和你预期的一致!

      宏是什么,宏就是#define机制把指定的参数替换的文本中,这样的实现方式就是宏。使用宏定义可以抽出频繁调用的函数,加快执行的速度。定义如下:#define name(参数)  执行体...  “参数”可以是使用逗号分隔的参数列表,这些参数可以被应用到执行体中,必须要注意的是“参数”的左括号必须和宏名字紧邻,不然编辑器会报错,或者被解释成执行体中的一部分。比如你写了一个 TEST(a) a * a 调用执行的时候写上 TEST(1) 实际执行的是替换后的 1 * 1。

      凡事都有利弊,宏定义固然使用方便,并且有着函数不可比拟的执行速度,但是宏定义中存在不少的坑,下面就说一说这个坑。看下面的代码:

    复制代码
     1 #include <stdio.h>
     2 
     3 #define TEST(a) a * a
     4 
     5 int main() {
     6     int b = TEST(2);
     7     int c = TEST(1+2);
     8     printf("b=%d, c=%d", b, c);
     9     printf("
    
    ");
    10 }
    复制代码

      没有执行的情况下,你感觉得到的结果是多少呢!好多人不加思索的说:b=4,c=9。如果真是这样,就不存在坑了,实际打印出来是:b=4, c=5 ,为什么c的值和预想的会有偏差,其实你把执行体中的值替换一下试试,就不难发现问题了,当输入1+2的时候,宏替换成了 1+2*1+2,当然就是5了。好了明白了,那你学会了吗?学会了再看一个:

    复制代码
     1 #include <stdio.h>
     2 
     3 #define TEST(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
     4 
     5 int main() {
     6     int zyf = 1;
     7     int abc = 2;
     8     int ret = TEST(zyf++, abc++);
     9     printf("zyf=%d,abc=%d,ret=%d", zyf, abc, ret);
    10     printf("
    
    ");
    11 }
    复制代码

      输出多少呢,如果是 zyf=2,abc=3,ret=3 就错了,实际结果是:zyf=2,abc=4,ret=3 。道理和前面的一样,只看替换后的结果才能真正看到答案。

      这样的问题防不胜防,怎样才能解决呢,其实办法很简单,错误的原因是执行的顺序和我们预想的不一样,那添加小括号应该可以解决这种问题。 比如 (a) * (a)。这样其实也不是最万全的办法,比如你看这个:ADD(a)  (a) + (a) ,如果这样调用:ADD(2) * 5 ,这样又不行了,被替换成了 (a) + (a) * 5 执行顺序和预想的还是不一样,所以还要在最外层加上括号:((a) + (a)),这样就解决了。

      、预定义符号

      C语言中有几个预定义的符号,还是有必要和大家说上一说,先看一段代码:

    复制代码
     1 #include <stdio.h>
     2 #include <stdlib.h>
     3 #define VAR_DUMP printf( 
     4     "[
     	file:%s
    " 
     5     "	line:%d
    " 
     6     "	time:%s %s
    " 
     7     "	value:%d
    ]", 
     8     __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__, value 
     9 )
    10 int main() {
    11     int value = 1;
    12     VAR_DUMP;
    13     printf("
    
    ");
    14 }
    复制代码

      是不是和你在大学学习的有点不一样,最简单的宏定义可以使用#define name value 的方式,当然也可以把值写成一个函数,运行的时候直接替换函数。这个宏定义是封装了调试方法,是打印变量内容能像PHP中var_dump()或者print_r()函数一样,打印出变量的内容。

    从这段代码中能学习到几点内容:

    1、使用#define可以使任何文本替换到程序中,在主程序中你可以随意使用VAR_DUMP。

    2、宏定义不以分号结束,如果非常长的宏定义,你可以在末尾加上反斜杠来分行,保持代码易读性。

    3、你可以定义频繁调用的函数为宏定义,这样可以加快执行的速速,具体原因后面会说到。

    4、C语言有几个预定的符号需要我们知道,很多时候特别有用:

      __FILE__ 预编译的文件名

         __LINE__ 文件当前行的行号(执行到这一行)

      __DATE__ 文件编译的日期

      __TIME__ 文件编译的具体时间

         __STDC__ 是否遵循ANSI C (不常用)

    最后附上运行结果,如图:

      、宏替换的过程

      在程序的编译阶段,宏先被执行替换,一般要涉及下面的步骤:

      1、调用宏的地方看是否 进行了 #define定义,如果是就进行替换。

      2、把替换的文本信息插入到替换的位置,其中参数被替换成了实际的值。

      3、#define可以包含其他定义的#define定义的东西,需要注意的是不能出现递归的情况。

      因为替换存在临近字段自动结合,所以可以使用一些巧妙的方案:

    复制代码
     1 #include <stdio.h>
     2 #include <stdlib.h>
     3 
     4 #define VAR_DUMP(A,B)
     5    printf("Value of " #B " is " A "
    ", B)
     6 
     7 int main(){
     8     int x = 1;
     9     VAR_DUMP("%d", x+2);
    10 }
    复制代码

      

      、条件编译和其他宏用法

      在大型的C程序中你能看到许多的条件编译,比如可以根据当前的环境加载不同的宏配置,或者在编译的时候加上直极预设的编译条件。这些东西的实现都离不开条件编译。

      1、条件嵌套,#if   #endif 原型:

    1 #if condition
    2     执行体
    3 #endif

    可以根据condition来确定执行体要不要执行,以此来控制在不同的环境下编译成不同的系统。看下面的代码,当把DEBUG定义成非0值时,MAX宏定义是存在的,当定义成0时,程序就会报错。

    复制代码
     1 #include <stdio.h>
     2 
     3 #define DEBUG 0
     4 #if DEBUG
     5     #define MAX(a) ((a) * (a))
     6 #endif
     7 
     8 int main() {
     9     int b = MAX(2);
    10     int c = MAX(1+2);
    11     printf("b=%d, c=%d", b, c);
    12     printf("
    
    ");
    13 }
    复制代码

    当然#if 也可以与#elif嵌套使用,这样就和我们在函数里使用if else一样了,下面是一段php源码中的一段话,你能看到编译php指定不同的参数,检查不同的环境等等都可以通过预处理中的条件编译开完成。

    复制代码
     1 #ifndef PHP_H
     2     #define PHP_H
     3 
     4     #ifdef HAVE_DMALLOC
     5         #include <dmalloc.h>
     6     #endif
     7 
     8     #define PHP_API_VERSION 20100412
     9     #define PHP_HAVE_STREAMS
    10     #define YYDEBUG 0
    11 
    12     #include "php_version.h"
    13     #include "zend.h"
    14     #include "zend_qsort.h"
    15     #include "php_compat.h"
    16     #include "zend_API.h"
    17 
    18     #undef sprintf
    19     #define sprintf php_sprintf
    20 
    21     /* PHP's DEBUG value must match Zend's ZEND_DEBUG value */
    22     #undef PHP_DEBUG
    23     #define PHP_DEBUG ZEND_DEBUG
    24 
    25     #ifdef PHP_WIN32
    26     #    include "tsrm_win32.h"
    27     #    include "win95nt.h"
    28     #    ifdef PHP_EXPORTS
    29     #        define PHPAPI __declspec(dllexport)
    30     #    else
    31     #        define PHPAPI __declspec(dllimport)
    32     #    endif
    33     #    define PHP_DIR_SEPARATOR '\'
    34     #    define PHP_EOL "
    "
    35     #else
    36     #    if defined(__GNUC__) && __GNUC__ >= 4
    37     #        define PHPAPI __attribute__ ((visibility("default")))
    38     #    else
    39     #        define PHPAPI
    40     #    endif
    41 
    42     #    define THREAD_LS
    43     #    define PHP_DIR_SEPARATOR '/'
    44     #    define PHP_EOL "
    "
    45     #endif
    46 
    47     #ifdef NETWARE
    48         /* For php_get_uname() function */
    49         #define PHP_UNAME  "NetWare"
    50         #define PHP_OS      PHP_UNAME
    51     #endif
    52 
    53     #if HAVE_ASSERT_H
    54         #if PHP_DEBUG
    55             #undef NDEBUG
    56         #else
    57             #ifndef NDEBUG
    58                 #define NDEBUG
    59             #endif
    60         #endif
    61         #include <assert.h>
    62 
    63     #else /* HAVE_ASSERT_H */
    64         #define assert(expr) ((void) (0))
    65     #endif /* HAVE_ASSERT_H */
    66 
    67     #define APACHE 0
    68     #if HAVE_UNIX_H
    69         #include <unix.h>
    70     #endif
    71 
    72     #if HAVE_ALLOCA_H
    73         #include <alloca.h>
    74     #endif
    75 
    76     #if HAVE_BUILD_DEFS_H
    77         #include <build-defs.h>
    78     #endif
    79     . . . 
    复制代码

      2、是否已经被定义

          被定义:#if   define() 或者是#ifdef 

      不被定义:#if !define() 或者是#ifndef

      前者的写法虽然没有后者精炼,但是前者有更多的使用场景,比如下面这种,可以进行嵌套执行。

    1 #if defined(DEBUG)
    2      #ifdef DEBUGTWO
    3            #define TEST(a) a * a
    4      #endif
    5 #endif

      3、移除一个宏定义,当不再使用一个宏定义后,可以使用undef来把不需要的宏移除,原型:

    1 #undef name

     

      、宏命名规则和与函数区别

      从前面的使用中我们可以看到,宏的使用规则和函数真是一模一样,但是本质上还是有区别的,在使用中怎样区别宏和函数,涉及到代码规范和代码的可读性问题。标准的宏使用应该使用大写字母,这样在程序中任意地方使用宏都会知道这是一个宏定义。比如前面用到的 #define TEST(a) ((a) * (a))。

      宏与函数区别有以下几点:

      1、执行速度上,宏定义更快,函数因为需要调用栈,存在调用,返回,保存现场的系统开销,所以比宏要慢。

      2、代码长度上,宏在代码长度上实际是增长的,每一处的使用宏都会把name替换成宏内容如果大量使用,会是代码显著增长,函数代码只有一份,比较节省代码空间。

      3、参数类型上,宏没有参数类型,只要可以 使用都行。函数不一样,函数有参数类型确定性。正式因为这样,有些宏能巧妙的利用这一点,完成函数不能完成的任务,看下面代码(书上看的),巧妙的利用传递类型无限制的特点自动开辟想要的各种类型空间:

    复制代码
    1 #include <stdio.h>
    2 #include <stdlib.h>
    3 
    4 #define CREATE_P(nums, type) ((type *) malloc((nums) * sizeof(type)))
    5 
    6 int main(){
    7     int nums = 2;
    8     CREATE_P(nums, int);
    9 }
    复制代码

      4、宏定义和函数的使用场景,宏定义一般在程序的开头,函数转化成宏定义一定要考虑成本问题,短小精炼的函数转化成宏使用时最好的,功能负责的函数转化成宏就有点得不偿失了。

      、文件包含

      1、本地文件包含和库文件包含  

      文件包含在大型系统中必然会用到,大型系统宏定义巨多无比,不可能把所有的宏定义都复制到每个文件中,那么文件包含就能解决这种问题。

      实际上编辑器支持两种文件包含,一种是我们经常会用的库文件的包含,比如上面我们看到的:#include <stdio.h>,还有一种是本地文件包含,说白了就是我们自己写的文件,包含的原型如下:

    1 #include <filename>
    2 #include "filename"

      这两种方式都可以进行文件的包含,不同的是第一种是库文件的包含,标准的C库函数都会以.h扩展名结尾,第二种是本地文件包含,当编辑器看到第二种方式时,优先查找本路径下得本地库文件,如果没有找到就会像包含库文件那样在指定的路径下去找,这时第二种和第一种就差不多了。第二种包含方式在编码习惯上也是比较好的,别人看你的代码很容易知道这个文件是库函数还是你自己写的。

      1、嵌套文件包含

      大型系统中不仅有大量的文件包含,还会有大量的嵌套文件包含,看下面的例子:

      a.h,b.h,c.h,define.c文件,其中a,b,c,define文件的内容如下:

    复制代码
     1 a.h:
     2 #include "c.h"
     3 void var_dumpa(){
     4     test obja;
     5     obja.a[1] = 2;
     6     printf("obja.a[1]: %d
    ", obja.a[1]);
     7 }
     8 
     9 b.h:
    10 #include "c.h"
    11 void var_dumpb(){
    12     test objb;
    13     objb.a[1] = 2;
    14     printf("objb.a[1]: %d
    ", objb.a[1]);
    15 }
    16 
    17 c.h:
    18 #include <stdlib.h>
    19 #include <stdio.h>
    20 
    21 typedef struct test{
    22     int a[10];
    23 }test;
    24 
    25 define.c:
    26 #include <stdio.h>
    27 #include "a.h"
    28 #include "b.h"
    29 
    30 int main() {
    31     var_dumpa();
    32     var_dumpb();
    33     printf("
    
    ");
    34 }
    复制代码

      ab文件包含c文件,define.c文件文件引用a,b文件后会引发一个错误:typedef struct test类型错误,因为c.h文件被包含了两次,像这种情况在大型系统中会经常遇到,或者说,你会发现重复引用库文件也不会报错,由此可见,库文件一定是使用了解决办法。其实解决这种错误的方案就是采用条件编译,当这个文件引入到另一个文件中后我们可以设置一个宏定义,比如:

    复制代码
    1 #include <stdlib.h>
    2 #include <stdio.h>
    3 
    4 #ifndef PATH_C_H
    5     #define PATH_C_H 1
    6     typedef struct test{
    7         int a[10];
    8     }test;
    9 #endif
    复制代码

    因为每次编译编译器都会读入整个头文件,如果把所有的文件都加上这个条件编译的话,那交叉引用文件产生的重复宏编译问题就解决了,运行如下:

      好了,就写这么多吧,重新梳理了对宏定义的认识和基本的使用。时间仓促,出错的地方请大婶们一定指出,万分感谢!

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