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C/C++ 中的宏/Macro

宏(Macro)本质上就是代码片段,通过别名来使用。在编译前的预处理中,宏会被替换为真实所指代的代码片段,即下图中 Preprocessor 处理的部分。

C/C++ 代码编译过程

C/C++ 代码编译过程 - 图片来自 ntu.edu.sg

根据用法的不同,分两种,Object-like 和 Function-like。前者用于 Object 对象,后者用于函数方法。

C/C++ 代码编译过程中,可通过相应参数来获取到各编译步骤中的产出,比如想看被预处理编译之后的宏,使用 gcc 使加上 -E 参数。

$ gcc -E macro.c

宏的定义

通过 #define 指令定义一个宏。

#define NAME_OF_MACRO value

比如,以下代码定义了一个名为 BUFFER_SIZE 的宏,指代 1024 这个数字。

#define BUFFER_SIZE 1024

使用时,

foo = (char *) malloc (BUFFER_SIZE);

使用预处理器编译:

$ gcc -E test.c

编译结果:

foo = (char *) malloc (1024);

多行

宏的定义是跟随 #define 在一同一行内的,但可通过 反斜杠 \ 实现换行从而定义出多行的宏。

#include <stdio.h>
#define GREETING_STR \
  "hello \
world"

int main() {
  printf(GREETING_STR);
  return 0;
}

多行的宏经过编译后会还原到一行中。

test.c

#include <stdio.h>
#define GREETING_STR \
  "hello \
world"

int main() { printf(GREETING_STR); }

编译后:

int main() {
  printf("hello world");
  return 0;
}

宏展开时的顺序

宏的展开是在处理源码时按照其出现位置进行的,如果宏定义有嵌套关系,也是层层进行展开,比如:

#include <stdio.h>

#define GREETING_NAME "wayou"
#define GREETING "hello," GREETING_NAME

int main() {
  printf(GREETING);
  return 0;
}

首先遇到 GREETING,将其展开成 GREETING_NAME "wayou",然后发现另一个宏 GREETING_NAME,将其展开最后得到 "hello," "wayou"。所以编译后的代码为:

int main() {
  printf("hello," "wayou");
  return 0;
}

其展开的顺序并不是宏定义时的顺序,为了验证,可将上面示例代码中两个宏的定义调换一下,得到:

-#define GREETING_NAME "wayou"
#define GREETING "hello," GREETING_NAME
+#define GREETING_NAME "wayou"

再次编译查看产出,会发现没有区别,也不会报 GREETING 中所依赖的 GREETING_NAME 找不到的错。其实 #define 只是告诉编译器定义了这么个宏,而具体的求值,则是使用宏的地方才开始的。

像下面这样,当宏存在覆盖时,会以新的为准,其结果为 37。

#define BUFSIZE 1020
#define TABLESIZE BUFSIZE
#undef BUFSIZE
#define BUFSIZE 37

Object-like 宏

Object-like 类型的宏看起来就像普通的数据对象,故名。多用于数字常量的情形下。且宏名一般使用全大写形式方便识别。像上面示例中,都是 Object-like 的。

Function-like 宏

也可定义出使用时像是方法调用一样的宏,这便是 Function-like 类型的宏。

#define lang_init()  c_init()
lang_init()

// 编译后
c_init()

函数类型的宏只在以方法调用形式使用时才会被展开,即名称后加括号,否则会被忽略。当宏名和函数名重名时,这一策略就会显得有用了,比如:

extern void foo(void);
#define foo() /* optimized inline version */foo();
  funcptr = foo;

这里 foo() 的调用会来自宏里面定义的那个函数,而 funcptr 会正确地指向函数地址,如果后者也被宏展开,则成了 funptr=foo() 显然就不对了。

函数类型的宏在定义时需注意,宏名与后面括号不能有空格,否则就是普通的 Object-like 类型对象。

#define lang_init ()    c_init()
lang_init()

// 编译后:
() c_init()()

宏的参数

函数类型的宏,可以像正常函数一样指定入参,入参需为逗号分隔合法的 C 字面量。

#define min(X, Y)  ((X) < (Y) ? (X) : (Y))
  x = min(a, b);          →  x = ((a) < (b) ? (a) : (b));
  y = min(1, 2);          →  y = ((1) < (2) ? (1) : (2));
  z = min(a + 28, *p);    →  z = ((a + 28) < (*p) ? (a + 28) : (*p));

入参中的括号

入参中只需要括号对称,但不要求方括号或花括号成对出现,所以下面的代码:

macro (array[x = y, x + 1])

其入参实际为 array[x = yx + 1]

入参的展开

入参本质上也是宏,对象类型的宏,在函数宏展示时,这些参数也被展示到了函数宏的函数体里。

 min (min (a, b), c)

首先被展开成:

min (((a) < (b) ? (a) : (b)), (c))

然后进一步展开成(此处换行为方便阅读,实际编译后没有):

((((a) < (b) ? (a) : (b))) < (c)
 ? (((a) < (b) ? (a) : (b)))
 : (c))

参数的缺省

函数宏在使用时其入参可缺省,但不能全部缺省,至少提供一个入参。

min(, b)        → ((   ) < (b) ? (   ) : (b))
min(a, )        → ((a  ) < ( ) ? (a  ) : ( ))
min(,)          → ((   ) < ( ) ? (   ) : ( ))
min((,),)       → (((,)) < ( ) ? ((,)) : ( ))

min()      error→ macro "min" requires 2 arguments, but only 1 given
min(,,)    error→ macro "min" passed 3 arguments, but takes just 2

字符化/Stringizing

如果函数宏中入参在字符串中,是不会被展开的,它就是普通的字符串字面量,这样的结果是符合预期的。

#define foo(x) x, "x"
foo(bar)        → bar, "x"

但如果确实想将入参展开成字符串,可在使用入参时,加上 # 前缀。

#define WARN_IF(EXP) \
do { if (EXP) \
        fprintf (stderr, "Warning: " #EXP "\n"); } \
while (0)
WARN_IF (x == 0);
     → do { if (x == 0)
           fprintf (stderr, "Warning: " "x == 0" "\n"); } while (0);

此处 #EXP 在字符串中会被正确展开。What's more, 如果这里的 x 也是宏,那只会在 if 语句中进行展开。

拼接

通过 ## 可将两个宏展开成一个,即将两者进行了拼接,这种操作叫 "token pasting",或 "token concatenation",就是拼接嘛。

宏拼接一般用在需要拼接的宏是来自宏参数的情况,其他情况,大可直接将两个宏写在一起即可,用不着 ## 指令。

考察下面这个场景,其中命令名重复出现:

struct command
{
  char *name;
  void (*function) (void);
};

struct command commands[] =
{
  { "quit", quit_command },
  { "help", help_command },
  …
};

通过定义宏配合拼接,可达到精简代码的目的:

#define COMMAND(NAME)  { #NAME, NAME ## _command }

struct command commands[] =
{
  COMMAND (quit),
  COMMAND (help),
  …
};

不定参数

像普通函数一样,函数类型的宏也可定义接收不定参数。

#define eprintf(…) fprintf (stderr, __VA_ARGS__)

调用时,命名参数后面,包括逗号都会进入到 __VA_ARGS__ 关键字当中。但 C++ 中还支持对这些参数命名从而不用 __VA_ARGS__

eprintf ("%s:%d: ", input_file, lineno)

// 编译后:
fprintf (stderr, "%s:%d: ", input_file, lineno)

C++ 中可这么写:

#define eprintf(args…) fprintf (stderr, args)

不定参数与命名参数混合的情况

不定参数为命名参数后面省略的部分。

#define eprintf(format, …) fprintf (stderr, format, __VA_ARGS__)

预设的宏

标准库及编译器中预设了一些有用的宏,可以在这里 查阅。

取消和重置宏

当某个宏不再使用时,可通过 #undef 将取注销掉。#undef 后紧跟宏名,后面不要跟其他东西,即使是函数类型的宏。

#define FOO 4
x = FOO;        → x = 4;
#undef FOO
x = FOO;        → x = FOO;

两个宏相似的定义

满足以下条件时,我们认为两者是相似的:

  • 类型相同,比如同为对象类型,或函数类型的宏
  • 展开后各位置的符号(token)相同
  • 如果是函数宏,入参相同
  • 空白的不限但出现的位置相同

比如,下面这些是相似的:

#define FOUR (2 + 2)
#define FOUR         (2    +    2)
#define FOUR (2 /* two */ + 2)

而下面这些则不然:

#define FOUR (2 + 2)
#define FOUR ( 2+2 ) // 空白位置不一样 
#define FOUR (2 * 2) // 宏的内容不一样
#define FOUR(score,and,seven,years,ago) (2 + 2) // 入参不一样

宏重复定义时的表现

对于使用了 #undef 注销过的宏,再次定义同名的宏时,要求新定义的宏不与老的相似。

而如果说一个已经存在的宏,并没有注销,重复定义时,如果相似,则新的定义会忽略,如果不相似,编译器会报警告同时使用新定义的宏。这允许在多个文件中定义同一个宏。

相关资源

posted @ 2019-06-23 11:53 刘哇勇 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

Bingo!!

少年,我看你骨骼清奇,怕是一名前端吧‽