预处理详解

今天就为大家带来预处理阶段的一些知识，要好好学哦~！

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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。

1	__FILE__ //进⾏编译的源⽂件
2	__LINE__ //⽂件当前的⾏号
3	__DATE__ //⽂件被编译的⽇期
4	__TIME__ //⽂件被编译的时间
5	__STDC__ //如果编译器遵循ANSI C，其值为1，否则未定义

例如：

//在VS编译器不完全支持ANSI C,因此__STDC__在VS编译器中无法使用
#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("%s\n", __FILE__);
	printf("%d\n", __LINE__);
	printf("%s\n", __DATE__);
	printf("%s\n", __TIME__);
	return 0;
}

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预处理后替换成下面的内容

2. #define 定义常量

基本语法：

1 #define name stuff

#include<stdio.h>
#define MAX 100
#define STR "hello world"
#define forever for(;;)
int main()
{
	printf("%d\n", MAX);
	printf("%s\n", STR);
	forever;
	return 0;
}

上篇文章中讲到，预处理会将所有的 #define 删除，并展开所有的宏定义
所以在预处理阶段，上面的代码会处理成如下：
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如果定义的 stuff过长，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)。如：

//一般情况我们会将其写成一行，但过于长就不方便我们观察，所以就有了续行符
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t  date:%s\ttime:%s\n" , __FILE__,__LINE__ ,  __DATE__,__TIME__ ) 

采用续行符效果：
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \
 date:%s\ttime:%s\n" ,\
 __FILE__,__LINE__ , \
 __DATE__,__TIME__ )

使用续行符时需要注意的一点：续行符（ \ )后面不能有空格之类的东西，否则会发生错误

那么，讲完上面define定义常量后，想想：在define定义标识符的时候，要不要在最后加上 “ ; ”
比如：

1	#define MAX 1000;
2	#define MAX 1000

这里是建议不要加上 ; 这样容易导致问题。
比如下面的场景：

#include<stdio.h>
#define MAX 100;
int main()
{
	int m = 0;
	if (1)
		m = MAX;
	else
		m = -1;
	return 0;
}

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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）。

下面是宏的声明方式：

1 #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。

#include<stdio.h>
#define SQUARE(x) x*x
int main()
{
	int a = 5;
	int ret = SQUARE(a);
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

预处理结果：
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实际上上面的宏也存在着一定的问题，往下看：

#include<stdio.h>
#define SQUARE(x) x*x
int main()
{
	int a = 5;
	int ret = SQUARE(a+1);
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

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：

int ret = a+1*a+1;

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解决方法：在宏定义上加上两个括号，这个问题便轻松的解决了：

#define SQUARE(x) (x)*(x)
这样之后语句就变成了：
int ret = (a+1)*(a+1);

这里还有一个宏定义：

#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。如下：

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：

 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。

#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。副作用就是表达式求值的时候出现的永久性效果。
例如：

//写一个宏，求2个数的较大值
#include<stdio.h>
#define MAX(X,Y) ((X)>(Y)?(X):(Y))
int main()
{
	int a = 3;
	int b = 5;
	int m = MAX(a, b);     
	printf("m = %d\n", m);
	return 0;
}

当我们传的是一个值时，输出的结果正确
但是，传的参数是表达式的时候，结果又是否相同呢？让我们往下看

#include<stdio.h>
#define MAX(X,Y) ((X)>(Y)?(X):(Y))
int Max(int a, int b)
{
	return a > b ? a : b;
}
int main()
{
	int a = 3;
	int b = 5;
	//函数传参是先使用了a、b后再使他们分别+1，最终返回的结果还是5，但是，宏就不一样了
	int ret = Max(a++, b++);
	printf("m = %d\n", ret);
	printf("a = %d\n", a);
	printf("b = %d\n", b);
	a = 3;
	b = 5;
	int m = MAX(a++, b++);
	//int m = ((a++)>(b++)?(a++):(b++));
	printf("m = %d\n", m);
	printf("a = %d\n", a);
	printf("b = %d\n", b);
	return 0;
}

运行结果如下：
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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。

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。

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。

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。

注意：

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。

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。

#define MAX(X,Y) ((X)>(Y)?(X):(Y))
#define M 10
int main()
{
	int a = 3;
	int b = 5;
	int m = MAX(a, MAX(M, 3));        
	printf("M = %d\n", m);
	printf("a = %d\n", a);
	printf("b = %d\n", b);
	return 0;
}

预处理结果：
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可以看出字符串中的不做处理

6. 宏函数的对比

宏通常被应用于执行简单的运算。
比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。

#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：

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。

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、长整型、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：

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长度。

宏是没法调试的。

宏由于类型⽆关，也就不够严谨。

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。

#define MALLOC(n, type)  (type*)malloc(n*sizeof(type))


int main()
{
	int*p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	
	int*ptr = MALLOC(10, int);
	//int *ptr = (int*)malloc(10*sizeof(int));//预处理阶段宏替换的结果

	return 0;
}

宏和函数的⼀个对比

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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“。

#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("helloworld\n");
	printf("hello""world\n");//C语言会将这两个字符串连成一个字符串
	return 0;
}

打印结果如下：

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知道这一点后，我们往下看：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 5;
	printf("the value of a is %d\n", a);
	int b = 20;
	printf("the value of b id %d\n", b);
	float f = 5.6f; 
	printf("the value of f is %f\n", f);
	return 0;
}

对于上面代码中都有共同之处，少许不同，我们能把他封装成一个函数么 — 显然是不可能滴

宏 ----- 当然没问题，瞧好了您嘞

#include<stdio.h>
#define PRINT(n,formate) printf("the value of n is " formate"\n",n)
int main()
{
	int a = 5;
	PRINT(a,"%d");
	//printf("the value of a is %d\n", a);
	int b = 20;
	PRINT(b, "%d");
	//printf("the value of b id %d\n", b);
	float f = 5.6f; 
	PRINT(f, "%f");
	//printf("the value of f is %f\n", f);
	return 0;
}

上面的宏最终是否是我们想要的结果呢？
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#include<stdio.h>
#define PRINT(n,formate) printf("the value of "#n " is " formate"\n",n)
int main()
{
	int a = 5;
	PRINT(a, "%d");
	//printf("the value of a is %d\n", a);
	int b = 20;
	PRINT(b, "%d");
	//printf("the value of b id %d\n", b);
	float f = 5.6f; 
	PRINT(f, "%f");
	//printf("the value of f is %f\n", f);
	return 0;
}

在宏内容的n前面加个#即可
当我们把a替换到宏的体内时，就出现了#a，而#a就是转换为"a"，是⼀个字符串
代码就会被预处理为：

printf("the value of ""a" " is ""%d", a);
其他类似

运行结果如下：
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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，不同的数据类型就得写不同的函数。
比如：

#include<stdio.h>
int int_max(int x, int y)
{
	return x > y ? x : y;
}
float float_max(float x, float 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;
}

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将其包装成一个宏，如下：

#include<stdio.h>
//宏定义
#define GENERIC_MAX(type) \
	type type##_max(type x,type y)\
	{\
		return x>y?x:y; \
	}
//只需传递类型给宏参数即可
GENERIC_MAX(int);
GENERIC_MAX(float);

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;
}

预处理后的结果：
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8. 命名约定

⼀般来讲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。
那我们平时的⼀个习惯是：

把宏名全部大写
函数名不要全部大写

有一个特例：
offsetof ---- 返回成员偏移量
头文件：stddef.h
此函数式宏以字节为单位返回数据结构或联合类型类型中的成员成员的偏移值。类型应为结构型或联合型。
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下面会做介绍

9. #undef

这条指令用于移除⼀个宏定义。

1	#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。

#include <stdio.h>

#define MAX 100

int main()
{
	printf("%d\n", MAX);//可执行
#undef MAX//会将MAX这个宏定义给移除
	printf("%d\n", MAX);//无法执行，因为MAX在此处未定义
	return 0;
}

10. 命令行定义

许多C 的编译器提供了⼀种能力，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长度的数组，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。）

#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：

//linux 环境演⽰
gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c//在命令行将ARRAY_Size指定为10

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）编译或者放弃是很方便的。因为我们有条件编译指令。
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。

#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。 
#endif //__DEBUG__
	}
	return 0;
}

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常见的条件编译指令：

1.
#if 常量表达式
//...
#endif
//常量表达式由预处理器求值。

如：

#define __DEBUG__ 1
#if __DEBUG__
//..
#endif

这一段代码是在定义了__DEBUG__的情况下，才会执行中间的内容；若无定义（即将#define DEBUG 1这一行删掉），就不会执行中间的内容

2.多个分⽀的条件编译
#if 常量表达式
//...
#elif 常量表达式
//...
#else
//...
#endif

单分支


#include <stdio.h>
 #define M 10
 int main()
 {
 #if M>0
 	printf("hehe\n");
 #endif
 	return 0;
 }
 当M>0条件成立，中间的语句在预处理阶段就存在，若不成立，预处理阶段就会删掉

多分支

 #define M 3

 int main()
 {
 #if M==0
 	printf("hehe\n");
 #elif M==1
 	printf("haha\n");
 #elif M==2
 	printf("heihei\n");
 #else
 	printf("ok\n");
 #endif
 	return 0;
 }

3.判断是否被定义
（1）#if defined(symbol)
（2）#ifdef symbol
（3）#if !defined(symbol)
（4）#ifndef symbol

具体往下看：


#define MAX 1
int main()
{
//#if defined(MAX)
//	printf("hehe\n");
//#endif

//#ifdef MAX
//	printf("hehe\n");
//#endif 

//#if !defined(MAX)
//	printf("hehe\n");
//#endif

#ifndef MAX
	printf("hehe\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

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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

1 #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：

1 /usr/include

VS环境的标准头⽂件的路径：

1	C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 12.0\VC\include
2	//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

1 #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

#include "test.h"
#include "test.h"
#include "test.h"
#include "test.h"
#include "test.h"
int main()
{

	return 0;
}

test.h

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贝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：

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

或者：

1 #pragma once

就可以避免头文件的重复引⼊。

13.其他预处理指令

如：
#error
#pragma
#line
#pragma pack()
...

以上这些待小编修成正果再为大家解析！（可参考《C语言深度解剖》）

代码练习

offsetof宏的实现

返回成员偏移量:

offsetof (type,member)

type:类型应为结构型或联合型。
member:类型的成员

写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移

#include<stdio.h>
#define OFFSETOF(s,m) ((size_t)&(((s*)0)->m))

struct S
{
	char a;
	int b;
	char d;
	double c;
};

int main()
{	
	printf("OFFSETOF(struct S, a):%zd\n", OFFSETOF(struct S, a));
	printf("OFFSETOF(struct S, b):%zd\n", OFFSETOF(struct S, b));
	printf("OFFSETOF(struct S, d):%zd\n", OFFSETOF(struct S, d));
	printf("OFFSETOF(struct S, c):%zd\n", OFFSETOF(struct S, c));
	return 0;
}

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交换奇偶位

写一个宏，可以将一个整数的二进制位的奇数位和偶数位交换。

#include<stdio.h>
#define swap(n) (((n&0x55555555)<<1)|((n&0xaaaaaaaa)>>1))
int main()
{
	printf("%d\n", swap(13));
	return 0;
}

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到这里告一段落了，下一篇见！

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目录

1. 预定义符号

2. #define 定义常量

3. #define定义宏

4. 带有副作用的宏参数

5. 宏替换的规则

6. 宏函数的对比

宏和函数的⼀个对比

7. #和##

7.1 #运算符

7.2 ## 运算符

8. 命名约定

9. #undef

10. 命令行定义

11. 条件编译

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

12.1.2 库文件包含

12.2 嵌套文件包含

13.其他预处理指令

代码练习

offsetof宏的实现

交换奇偶位

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