预处理器(Preprocessor)

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简介 #

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。

预处理器首先会清理代码,进行删除注释、多行的语句合成一个逻辑行等等。然后,执行#开头的预处理指令。本章介绍 C 语言的预处理指令。

预处理指令可以出现在程序的任何地方,但是习惯上,往往放在代码的开头部分。

每个预处理指令都以#开头,放在一行的行首,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,但是为了兼容老的编译器,一般不留空格。

所有预处理指令都是一行的,除非在行尾使用反斜杠,将其折行。指令结尾处不需要分号。

#define #

#define是最常见的预处理指令,用来将指定的词替换成另一个词。它的参数分成两个部分,第一个参数就是要被替换的部分,其余参数是替换后的内容。每条替换规则,称为一个宏(macro)。

#define MAX 100

上面示例中,#define指定将源码里面的MAX,全部替换成100MAX就称为一个宏。

宏的名称不允许有空格,而且必须遵守 C 语言的变量命名规则,只能使用字母、数字与下划线(_),且首字符不能是数字。

宏是原样替换,指定什么内容,就一模一样替换成什么内容。

#define HELLO "Hello, world"

// 相当于 printf("%s", "Hello, world");
printf("%s", HELLO);

上面示例中,宏HELLO会被原样替换成"Hello, world"

#define指令可以出现在源码文件的任何地方,从指令出现的地方到该文件末尾都有效。习惯上,会将#define放在源码文件的头部。它的主要好处是,会使得程序的可读性更好,也更容易修改。

#define指令从#开始,一直到换行符为止。如果整条指令过长,可以在折行处使用反斜杠,延续到下一行。

#define OW "C programming language is invented \
in 1970s."

上面示例中,第一行结尾的反斜杠将#define指令拆成两行。

#define允许多重替换,即一个宏可以包含另一个宏。

#define TWO 2
#define FOUR TWO*TWO

上面示例中,FOUR会被替换成2*2

注意,如果宏出现在字符串里面(即出现在双引号中),或者是其他标识符的一部分,就会失效,并不会发生替换。

#define TWO 2

// 输出 TWO
printf("TWO\n");

// 输出 22
const TWOs = 22;
printf("%d\n", TWOs);

上面示例中,双引号里面的TWO,以及标识符TWOs,都不会被替换。

同名的宏可以重复定义,只要定义是相同的,就没有问题。如果定义不同,就会报错。

// 正确
#define FOO hello
#define FOO hello

// 报错
#define BAR hello
#define BAR world

上面示例中,宏FOO没有变化,所以可以重复定义,宏BAR发生了变化,就报错了。

带参数的宏 #

基本用法 #

宏的强大之处在于,它的名称后面可以使用括号,指定接受一个或多个参数。

#define SQUARE(X) X*X

上面示例中,宏SQUARE可以接受一个参数X,替换成X*X

注意,宏的名称与左边圆括号之间,不能有空格。

这个宏的用法如下。

// 替换成 z = 2*2;
z = SQUARE(2);

这种写法很像函数,但又不是函数,而是完全原样的替换,会跟函数有不一样的行为。

#define SQUARE(X) X*X

// 输出19
printf("%d\n", SQUARE(3 + 4));

上面示例中,SQUARE(3 + 4)如果是函数,输出的应该是49(7*7);宏是原样替换,所以替换成3 + 4*3 + 4,最后输出19。

可以看到,原样替换可能导致意料之外的行为。解决办法就是在定义宏的时候,尽量多使用圆括号,这样可以避免很多意外。

#define SQUARE(X) ((X) * (X))

上面示例中,SQUARE(X)替换后的形式,有两层圆括号,就可以避免很多错误的发生。

宏的参数也可以是空的。

#define getchar() getc(stdin)

上面示例中,宏getchar()的参数就是空的。这种情况其实可以省略圆括号,但是加上了,会让它看上去更像函数。

一般来说,带参数的宏都是一行的。下面是两个例子。

#define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y))
#define IS_EVEN(n) ((n)%2==0)

如果宏的长度过长,可以使用反斜杠(\)折行,将宏写成多行。

#define PRINT_NUMS_TO_PRODUCT(a, b) { \
  int product = (a) * (b); \
  for (int i = 0; i < product; i++) { \
    printf("%d\n", i); \
  } \
}

上面示例中,替换文本放在大括号里面,这是为了创造一个块作用域,避免宏内部的变量污染外部。

带参数的宏也可以嵌套,一个宏里面包含另一个宏。

#define QUADP(a, b, c) ((-(b) + sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
#define QUADM(a, b, c) ((-(b) - sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
#define QUAD(a, b, c) QUADP(a, b, c), QUADM(a, b, c)

上面示例是一元二次方程组求解的宏,由于存在正负两个解,所以宏QUAD先替换成另外两个宏QUADPQUADM,后者再各自替换成一个解。

那么,什么时候使用带参数的宏,什么时候使用函数呢?

一般来说,应该首先使用函数,它的功能更强、更容易理解。宏有时候会产生意想不到的替换结果,而且往往只能写成一行,除非对换行符进行转义,但是可读性就变得很差。

宏的优点是相对简单,本质上是字符串替换,不涉及数据类型,不像函数必须定义数据类型。而且,宏将每一处都替换成实际的代码,省掉了函数调用的开销,所以性能会好一些。另外,以前的代码大量使用宏,尤其是简单的数学运算,为了读懂前人的代码,需要对它有所了解。

#运算符,##运算符 #

由于宏不涉及数据类型,所以替换以后可能为各种类型的值。如果希望替换后的值为字符串,可以在替换文本的参数前面加上#

#define STR(x) #x

// 等同于 printf("%s\n", "3.14159");
printf("%s\n", STR(3.14159));

上面示例中,STR(3.14159)会被替换成3.14159。如果x前面没有#,这会被解释成一个浮点数,有了#以后,就会被转换成字符串。

下面是另一个例子。

#define XNAME(n) "x"#n

// 输出 x4
printf("%s\n", XNAME(4));

上面示例中,#n指定参数输出为字符串,再跟前面的字符串结合,最终输出为"x4"。如果不加#,这里实现起来就很麻烦了。

如果替换后的文本里面,参数需要跟其他标识符连在一起,组成一个新的标识符,可以使用##运算符。它起到粘合作用,将参数“嵌入”一个标识符之中。

#define MK_ID(n) i##n

上面示例中,n是宏MK_ID的参数,这个参数需要跟标识符i粘合在一起,这时in之间就要使用##运算符。下面是这个宏的用法示例。

int MK_ID(1), MK_ID(2), MK_ID(3);
// 替换成
int i1, i2, i3;

上面示例中,替换后的文本i1i2i3是三个标识符,参数n是标识符的一部分。从这个例子可以看到,##运算符的一个主要用途是批量生成变量名和标识符。

不定参数的宏 #

宏的参数还可以是不定数量的(即不确定有多少个参数),...表示剩余的参数。

#define X(a, b, ...) (10*(a) + 20*(b)), __VA_ARGS__

上面示例中,X(a, b, ...)表示X()至少有两个参数,多余的参数使用...表示。在替换文本中,__VA_ARGS__代表多余的参数(每个参数之间使用逗号分隔)。下面是用法示例。

X(5, 4, 3.14, "Hi!", 12)
// 替换成
(10*(5) + 20*(4)), 3.14, "Hi!", 12

注意,...只能替代宏的尾部参数,不能写成下面这样。

// 报错
#define WRONG(X, ..., Y) #X #__CA_ARGS__ #Y

上面示例中,...替代中间部分的参数,这是不允许的,会报错。

__VA_ARGS__前面加上一个#号,可以让输出变成一个字符串。

#define X(...) #__VA_ARGS__

printf("%s\n", X(1,2,3));  // Prints "1, 2, 3"

#undef #

#undef指令用来取消已经使用#define定义的宏。

#define LIMIT 400
#undef LIMIT

上面示例的undef指令取消已经定义的宏LIMIT,后面就可以重新用 LIMIT 定义一个宏。

有时候想重新定义一个宏,但不确定是否以前定义过,就可以先用#undef取消,然后再定义。因为同名的宏如果两次定义不一样,会报错,而#undef的参数如果是不存在的宏,并不会报错。

GCC 的-U选项可以在命令行取消宏的定义,相当于#undef

$ gcc -ULIMIT foo.c

上面示例中的-U参数,取消了宏LIMIT,相当于源文件里面的#undef LIMIT

#include #

#include指令用于编译时将其他源码文件,加载进入当前文件。它有两种形式。

// 形式一
#include <foo.h> // 加载系统提供的文件

// 形式二
#include "foo.h" // 加载用户提供的文件

形式一,文件名写在尖括号里面,表示该文件是系统提供的,通常是标准库的库文件,不需要写路径。因为编译器会到系统指定的安装目录里面,去寻找这些文件。

形式二,文件名写在双引号里面,表示该文件由用户提供,具体的路径取决于编译器的设置,可能是当前目录,也可能是项目的工作目录。如果所要包含的文件在其他位置,就需要指定路径,下面是一个例子。

#include "/usr/local/lib/foo.h"

GCC 编译器的-I参数,也可以用来指定include命令中用户文件的加载路径。

$ gcc -Iinclude/ -o code code.c

上面命令中,-Iinclude/指定从当前目录的include子目录里面,加载用户自己的文件。

#include最常见的用途,就是用来加载包含函数原型的头文件(后缀名为.h),参见《多文件编译》一章。多个#include指令的顺序无关紧要,多次包含同一个头文件也是合法的。

#if...#endif #

#if...#endif指令用于预处理器的条件判断,满足条件时,内部的行会被编译,否则就被编译器忽略。

#if 0
  const double pi = 3.1415; // 不会执行
#endif

上面示例中,#if后面的0,表示判断条件不成立。所以,内部的变量定义语句会被编译器忽略。#if 0这种写法常用来当作注释使用,不需要的代码就放在#if 0里面。

#if后面的判断条件,通常是一个表达式。如果表达式的值不等于0,就表示判断条件为真,编译内部的语句;如果表达式的值等于0,表示判断条件为伪,则忽略内部的语句。

#if...#endif之间还可以加入#else指令,用于指定判断条件不成立时,需要编译的语句。

#define FOO 1

#if FOO
  printf("defined\n");
#else
  printf("not defined\n");
#endif

上面示例中,宏FOO如果定义过,会被替换成1,从而输出defined,否则输出not defined

如果有多个判断条件,还可以加入#elif命令。

#if HAPPY_FACTOR == 0
  printf("I'm not happy!\n");
#elif HAPPY_FACTOR == 1
  printf("I'm just regular\n");
#else
  printf("I'm extra happy!\n");
#endif

上面示例中,通过#elif指定了第二重判断。注意,#elif的位置必须在#else之前。如果多个判断条件皆不满足,则执行#else的部分。

没有定义过的宏,等同于0。因此如果UNDEFINED是一个没有定义过的宏,那么#if UNDEFINED为伪,而#if !UNDEFINED为真。

#if的常见应用就是打开(或关闭)调试模式。

#define DEBUG 1

#if DEBUG
printf("value of i : %d\n", i);
printf("value of j : %d\n", j);
#endif

上面示例中,通过将DEBUG设为1,就打开了调试模式,可以输出调试信息。

GCC 的-D参数可以在编译时指定宏的值,因此可以很方便地打开调试开关。

$ gcc -DDEBUG=1 foo.c

上面示例中,-D参数指定宏DEBUG1,相当于在代码中指定#define DEBUG 1

#ifdef...#endif #

#ifdef...#endif指令用于判断某个宏是否定义过。

有时源码文件可能会重复加载某个库,为了避免这种情况,可以在库文件里使用#define定义一个空的宏。通过这个宏,判断库文件是否被加载了。

#define EXTRA_HAPPY

上面示例中,EXTRA_HAPPY就是一个空的宏。

然后,源码文件使用#ifdef...#endif检查这个宏是否定义过。

#ifdef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm extra happy!\n");
#endif

上面示例中,#ifdef检查宏EXTRA_HAPPY是否定义过。如果已经存在,表示加载过库文件,就会打印一行提示。

#ifdef可以与#else指令配合使用。

#ifdef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm extra happy!\n");
#else
  printf("I'm just regular\n");
#endif

上面示例中,如果宏EXTRA_HAPPY没有定义过,就会执行#else的部分。

#ifdef...#else...#endif可以用来实现条件加载。

#ifdef MAVIS
  #include "foo.h"
  #define STABLES 1
#else
  #include "bar.h"
  #define STABLES 2
#endif

上面示例中,通过判断宏MAVIS是否定义过,实现加载不同的头文件。

defined 运算符 #

上一节的#ifdef指令,等同于#if defined

#ifdef FOO
// 等同于
#if defined FOO

上面示例中,defined是一个预处理运算符,如果它的参数是一个定义过的宏,就会返回1,否则返回0。

使用这种语法,可以完成多重判断。

#if defined FOO
  x = 2;
#elif defined BAR
  x = 3;
#endif

这个运算符的一个应用,就是对于不同架构的系统,加载不同的头文件。

#if defined IBMPC
  #include "ibmpc.h"
#elif defined MAC
  #include "mac.h"
#else
  #include "general.h"
#endif

上面示例中,不同架构的系统需要定义对应的宏。代码根据不同的宏,加载对应的头文件。

#ifndef...#endif #

#ifndef...#endif指令跟#ifdef...#endif正好相反。它用来判断,如果某个宏没有被定义过,则执行指定的操作。

#ifdef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm extra happy!\n");
#endif

#ifndef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm just regular\n");
#endif

上面示例中,针对宏EXTRA_HAPPY是否被定义过,#ifdef#ifndef分别指定了两种情况各自需要编译的代码。

#ifndef常用于防止重复加载。举例来说,为了防止头文件myheader.h被重复加载,可以把它放在#ifndef...#endif里面加载。

#ifndef MYHEADER_H
  #define MYHEADER_H
  #include "myheader.h"
#endif

上面示例中,宏MYHEADER_H对应文件名myheader.h的大写。只要#ifndef发现这个宏没有被定义过,就说明该头文件没有加载过,从而加载内部的代码,并会定义宏MYHEADER_H,防止被再次加载。

#ifndef等同于#if !defined

#ifndef FOO
// 等同于
#if !defined FOO

预定义宏 #

C 语言提供一些预定义的宏,可以直接使用。

  • __DATE__:编译日期,格式为“Mmm dd yyyy”的字符串(比如 Nov 23 2021)。
  • __TIME__:编译时间,格式为“hh:mm:ss”。
  • __FILE__:当前文件名。
  • __LINE__:当前行号。
  • __func__:当前正在执行的函数名。该预定义宏必须在函数作用域使用。
  • __STDC__:如果被设为1,表示当前编译器遵循 C 标准。
  • __STDC_HOSTED__:如果被设为1,表示当前编译器可以提供完整的标准库;否则被设为0(嵌入式系统的标准库常常是不完整的)。
  • __STDC_VERSION__:编译所使用的 C 语言版本,是一个格式为yyyymmL的长整数,C99 版本为“199901L”,C11 版本为“201112L”,C17 版本为“201710L”。

下面示例打印这些预定义宏的值。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  printf("This function: %s\n", __func__);
  printf("This file: %s\n", __FILE__);
  printf("This line: %d\n", __LINE__);
  printf("Compiled on: %s %s\n", __DATE__, __TIME__);
  printf("C Version: %ld\n", __STDC_VERSION__);
}

/* 输出如下

This function: main
This file: test.c
This line: 7
Compiled on: Mar 29 2021 19:19:37
C Version: 201710

*/

#line #

#line指令用于覆盖预定义宏__LINE__,将其改为自定义的行号。后面的行将从__LINE__的新值开始计数。

// 将下一行的行号重置为 300
#line 300

上面示例中,紧跟在#line 300后面一行的行号,将被改成300,其后的行会在300的基础上递增编号。

#line还可以改掉预定义宏__FILE__,将其改为自定义的文件名。

#line 300 "newfilename"

上面示例中,下一行的行号重置为300,文件名重置为newfilename

#error #

#error指令用于让预处理器抛出一个错误,终止编译。

#if __STDC_VERSION__ != 201112L
  #error Not C11
#endif

上面示例指定,如果编译器不使用 C11 标准,就中止编译。GCC 编译器会像下面这样报错。

$ gcc -std=c99 newish.c
newish.c:14:2: error: #error Not C11

上面示例中,GCC 使用 C99 标准编译,就报错了。

#if INT_MAX < 100000
  #error int type is too small
#endif

上面示例中,编译器一旦发现INT类型的最大值小于100,000,就会停止编译。

#error指令也可以用在#if...#elif...#else的部分。

#if defined WIN32
  // ...
#elif defined MAC_OS
  // ...
#elif defined LINUX
  // ...
#else
  #error NOT support the operating system
#endif

#pragma #

#pragma指令用来修改编译器属性。

// 使用 C99 标准
#pragma c9x on

上面示例让编译器以 C99 标准进行编译。