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！）

 #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：

 #include <stdio.h>

 #define TEST(a) a * a

 int main() {
     int b = TEST();
     int c = TEST(+);
     printf("b=%d, c=%d", b, c);
     printf("\n\n");
 }

　　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：

 #include <stdio.h>

 #define TEST(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

 int main() {
     int zyf = ;
     int abc = ;
     int ret = TEST(zyf++, abc++);
     printf("zyf=%d,abc=%d,ret=%d", zyf, abc, ret);
     printf("\n\n");
 }

　　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。

　　二、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：

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #define VAR_DUMP printf( \
     "[\n \tfile:%s\n" \
     "\tline:%d\n" \
     "\ttime:%s %s\n" \
     "\tvalue:%d\n]", \
     __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__, value \
 )
 int main() {
     int value = ;
     VAR_DUMP;
     printf("\n\n");
 }

　　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：

　　三、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：

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>

 #define VAR_DUMP(A,B)\
    printf("Value of " #B " is " A "\n", B)

 int main(){
     int x = ;
     VAR_DUMP("%d", x+);
 }

　　

　　四、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：

 #if condition
     执行体
 #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。

 #include <stdio.h>

 #define DEBUG 0
 #if DEBUG
     #define MAX(a) ((a) * (a))
 #endif

 int main() {
     int b = MAX();
     int c = MAX(+);
     printf("b=%d, c=%d", b, c);
     printf("\n\n");
 }

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。

 #ifndef PHP_H
     #define PHP_H

     #ifdef HAVE_DMALLOC
         #include <dmalloc.h>
     #endif

     #define PHP_API_VERSION 20100412
     #define PHP_HAVE_STREAMS
     #define YYDEBUG 0

     #include "php_version.h"
     #include "zend.h"
     #include "zend_qsort.h"
     #include "php_compat.h"
     #include "zend_API.h"

     #undef sprintf
     #define sprintf php_sprintf

     /* PHP's DEBUG value must match Zend's ZEND_DEBUG value */
     #undef PHP_DEBUG
     #define PHP_DEBUG ZEND_DEBUG

     #ifdef PHP_WIN32
     #    include "tsrm_win32.h"
     #    include "win95nt.h"
     #    ifdef PHP_EXPORTS
     #        define PHPAPI __declspec(dllexport)
     #    else
     #        define PHPAPI __declspec(dllimport)
     #    endif
     #    define PHP_DIR_SEPARATOR '\\'
     #    define PHP_EOL "\r\n"
     #else
     #    if defined(__GNUC__) && __GNUC__ >=
     #        define PHPAPI __attribute__ ((visibility("default")))
     #    else
     #        define PHPAPI
     #    endif

     #    define THREAD_LS
     #    define PHP_DIR_SEPARATOR '/'
     #    define PHP_EOL "\n"
     #endif

     #ifdef NETWARE
         /* For php_get_uname() function */
         #define PHP_UNAME  "NetWare"
         #define PHP_OS      PHP_UNAME
     #endif

     #if HAVE_ASSERT_H
         #if PHP_DEBUG
             #undef NDEBUG
         #else
             #ifndef NDEBUG
                 #define NDEBUG
             #endif
         #endif
         #include <assert.h>

     #else /* HAVE_ASSERT_H */
         #define assert(expr) ((void) (0))
     #endif /* HAVE_ASSERT_H */

     #define APACHE 0
     #if HAVE_UNIX_H
         #include <unix.h>
     #endif

     #if HAVE_ALLOCA_H
         #include <alloca.h>
     #endif

     #if HAVE_BUILD_DEFS_H
         #include <build-defs.h>
     #endif
     . . . 

　　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。

 #if defined(DEBUG)
      #ifdef DEBUGTWO
            #define TEST(a) a * a
      #endif
 #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：

 #undef name

　

　　五、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：

 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>

 #define CREATE_P(nums, type) ((type *) malloc((nums) * sizeof(type)))

 int main(){
     int nums = ;
     CREATE_P(nums, int);
 }

　　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。

　　六、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：

 #include <filename>
 #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：

 a.h:
 #include "c.h"
 void var_dumpa(){
     test obja;
     obja.a[] = ;
     printf("obja.a[1]: %d\n", obja.a[]);
 }

 b.h:
 #include "c.h"
 void var_dumpb(){
     test objb;
     objb.a[] = ;
     printf("objb.a[1]: %d\n", objb.a[]);
 }

 c.h:
 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>

 typedef struct test{
     int a[];
 }test;

 define.c:
 #include <stdio.h>
 #include "a.h"
 #include "b.h"

 int main() {
     var_dumpa();
     var_dumpb();
     printf("\n\n");
 }

　　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：

 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>

 #ifndef PATH_C_H
     #define PATH_C_H 1
     typedef struct test{
         int a[];
     }test;
 #endif

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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