C语言(16)----预处理中的宏以及预处理指令

2024-06-18 15:02:04 浏览数 (1)

预处理作为编译的预先准备阶段，其中的宏是一种由预处理器处理的指令或代码片段。宏的基本定义由#define来完成。通常为了区分变量名和函数，宏名通常使用大写字母串来书写。

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#define 宏名 宏定义字符串

对于宏用途简单的描述包括以下几点：

1.符号常量，用来增加程序的灵活性

2.简单的函数功能实现，但局限于一行之内完成

3.提供需要多次书写时的方便。可以使用一行宏来简写。

针对宏的特点和用途，接下来详细介绍。

宏定义

一般来说宏可以定义常量也可以定义变量。

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#define name( parament-list ) stuff
//name和左括号要紧密相邻
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#define PI 3.14159
#define SQUARE(x) ((x) * (x))

注意：一般在语句的最后不会加上分号；，因为这也属于语句的一部分，否则会出现以下情况：

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#define NUMBER 123;
//打印出来为以下：
//123;;

而对于某些函数语句例如if、while，更有可能出现语法错误。 

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if(condition)
 max = MAX;
else
 max = 0;

 宏替换

在预处理阶段，预处理器会将代码中的宏调用替换为宏定义的内容。

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

 现在我们在代码中使用这个宏来比较两个数的大小，例如：

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int a = 10;
int b = 20;
int max_num = MAX(a, b);

 在预处理阶段，预处理器会将宏调用MAX(a, b)替换为其定义的内容，即((a) > (b) ? (a) : (b))。因此，上面的代码在编译之前会被替换为：

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int a = 10;
int b = 20;
int max_num = ((a) > (b) ? (a) : (b));

注意：由于运算符优先级的问题，定义宏不要吝啬括号。比如以下的例子

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#define SQUARE(x) x * x
#define SQUARE(x) (x) * (x)

这两种表达方式得到的结果有可能都不相同。比如我们代入a 1，而当a=1时

得到的两种结果：

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3//得到的表达式是：a 1*a 1
4//得到的表达式是：(a 1)*(a 1)

所以我们最保险的方法就是给整个宏都加上括号：

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#define SQUARE(x) ((x) * (x))

宏替换的过程可以简单概括为以下几个步骤：

  1. 宏定义：在代码中使用#define指令定义宏，为常量、函数等起一个易记的名字。
  2. 宏调用：在代码中使用定义好的宏，传入参数（如果有的话）。
  3. 预处理阶段：在编译之前的预处理阶段，预处理器会扫描代码中的宏调用，并将其替换为宏定义的内容。
  4. 宏展开：预处理器将宏调用展开为其定义的内容，包括参数的替换。
  5. 编译阶段：展开后的代码会被编译器处理，生成可执行代码。

宏与函数

经过上述的介绍可以发现，宏和函数实际上有很多相似之处。实际上对于它们的使用也有很大的相似之处，但是它们之间的差异也是显而易见的。

  1. 宏：
    • 预处理阶段替换：宏是在预处理阶段被替换为其定义的内容，只需要直接运算，而不是像函数那样需要先调用再运算再返回。
    • 无类型检查：宏没有参数类型检查，因此在宏中使用参数时需要特别小心，确保类型匹配。（这实际上既是优点也是缺点，增加了自由性但是舍弃了严谨性）
    • 效率：宏展开时会直接替换文本，没有函数调用的开销，运行所需时间也会大幅减少，因此在一些情况下可能更高效。
    • 代码复杂性：宏可以包含更复杂的代码逻辑，如条件判断等。
  2. 函数：
    • 运行时调用：函数是在程序运行时被调用执行的，具有独立的作用域和参数传递机制。
    • 类型安全：函数具有参数类型检查，可以避免一些潜在的错误。
    • 可读性：函数提供了更结构化和模块化的代码组织方式，增强了代码的可读性和维护性。
    • 调试：函数调用可以更方便地进行调试和跟踪。

在选择使用宏还是函数时，可以根据具体情况来决定：

  • 如果需要高效的代码替换和更复杂的宏逻辑，可以选择宏。
  • 如果需要类型安全、可读性强和更好的代码组织，可以选择函数。

 宏的缺陷

可能引起宏展开后的代码过长，影响可读性。

可能导致宏的滥用，使代码变得难以理解和维护。

宏无法调试，不能很好的检索错误

宏无法像函数那样递归，不能嵌套宏

宏展开可能导致意外的副作用，如参数多次计算等。

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x 1;//不带副作⽤
x  ;//带有副作⽤，会被多次计算

预处理运算符

#

作用：将宏参数转换为字符串

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#include <stdio.h>

#define STRINGIFY(x) #x

int main() {
    int num = 10;
    const char* str = STRINGIFY(num);
    
    printf("String representation of num: %sn", str);
    
    return 0;
}

STRINGIFY宏使用了#运算符，将传入的参数num转换为字符串。在main函数中，我们将num的字符串表示打印出来。

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String representation of num: 10

## 

作用：连接前后两个符号

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#include <stdio.h>

#define CONCAT(a, b) a##b

int main() {
    int num1 = 10;
    int num2 = 20;
    
    int result = CONCAT(num, 1)   CONCAT(num, 2);
    
    printf("Result: %dn", result);
    
    return 0;
}

CONCAT宏使用了##运算符，将num和后面的数字连接在一起，形成新的符号。在main函数中，我们使用CONCAT宏将num1和num2连接在一起，并将它们相加。

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Result: 30

这表明##运算符成功将num1和num2连接在一起，并进行了相加操作。

而如果我们不使用##运算符，宏参数和其他文本会被简单地拼接在一起，而不会进行连接操作。

得到的结果就是

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Result: 0

#和##在实际运用中其实很少，所以只作介绍。

条件编译

条件编译允许根据条件来选择性地编译代码。如果我们要将某语句临时放弃或者更改，就可以用到条件编译。

理论上条件编译的功能和条件语句十分相像，只不过一个是在预处理过程中一个是在具体的代码程序中。

在C语言中，条件编译通常使用预处理指令#if、#ifdef、#ifndef、#elif、#else和#endif来实现。

#if define 宏名以及条件 #ifdef-----前者的简写形式 用于条件编译定义

#if !define 宏名以及条件 #ifndef-----前者的简写形式 用于否定的条件编译定义

#elif #else 两者多用于多个分支的条件编译

#endif 条件编译预处理指令的结束标记，与前面几个指令配对使用，用于结束条件编译的代码块。

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#include <stdio.h>

#define DEBUG 1

int main() {
    int num = 10;
    
    #if DEBUG
        printf("Debug mode is enabledn");
        printf("Number: %dn", num);
    #else
        printf("Debug mode is disabledn");
    #endif
    
    return 0;
}

在上面的示例中，我们定义了一个宏DEBUG并赋值为1。在main函数中，使用条件编译指令#if DEBUG来判断是否启用了调试模式。如果DEBUG宏被定义且值为非零，则会编译#if DEBUG和#else之间的代码；否则，会编译#else和#endif之间的代码。

当程序编译时，由于DEBUG宏被定义为1，所以会编译#if DEBUG和#else之间的代码。因此，输出结果为：

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Debug mode is enabled
Number: 10

头文件包含

头文件包含的方式为以下两种

  1. #include <header.h>：
    • 使用尖括号<>包含头文件时，编译器会在系统默认的目录中查找头文件。如果找不到就提示编译错误。
    • 这种方式通常用于包含标准库头文件或系统提供的头文件。
  2. #include "header.h"：
    • 使用双引号""包含头文件时，编译器会先在当前源文件所在目录中查找头文件，如果找不到再去系统默认目录中查找。如果找不到就提示编译错误。
    • 这种方式通常用于包含自定义的头文件。

我们可以发现，""的形式似乎较<>的泛用性更大，那为何不直接全部使用前者来包含头文件呢？

这样做确实可以，但是我们需要时刻注意优秀的代码是需要保持高效性的，这样做会增加查找的时间，并且它并不能用于查找库文件，所以在某些时刻二者区分使用是有好处的。

预处理指令

除了上述已经基本介绍完毕的预处理指令，

常见的预处理指令还包括这些：

  1. #undef：取消宏定义
  2. #error：生成错误消息
  3. #warning：生成警告消息
  4. #pragma：编译器指令
  5. #line：修改行号和文件名信息
  6. #ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif：条件编译
  7. #pragma once：头文件只包含一次

这些预处理指令在源代码编译之前起作用，用于对源代码进行预处理、条件编译、头文件包含等操作，可以在一定程度上提高代码的灵活性和可维护性。

而在实际编程中，合理使用预处理指令可以简化代码逻辑、提高代码的可读性和可维护性，从而帮助程序员更好地编写代码。 

字符串 编译 编译器 函数 连接

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