C/C++中宏/Macro的深入講解
前言
宏(Macro)本質(zhì)上就是代碼片段,通過別名來使用。在編譯前的預(yù)處理中,宏會被替換為真實所指代的代碼片段,即下圖中 Preprocessor 處理的部分。
C/C++ 代碼編譯過程 - 圖片來自 ntu.edu.sg
根據(jù)用法的不同,分兩種,Object-like 和 Function-like。前者用于 Object 對象,后者用于函數(shù)方法。
C/C++ 代碼編譯過程中,可通過相應(yīng)參數(shù)來獲取到各編譯步驟中的產(chǎn)出,比如想看被預(yù)處理編譯之后的宏,使用 gcc 使加上 -E 參數(shù)。
$ gcc -E macro.c
宏的定義
通過 #define 指令定義一個宏。
#define NAME_OF_MACRO value
比如,以下代碼定義了一個名為 BUFFER_SIZE 的宏,指代 1024 這個數(shù)字。
#define BUFFER_SIZE 1024
使用時,
foo = (char *) malloc (BUFFER_SIZE);
使用預(yù)處理器編譯:
$ gcc -E test.c
編譯結(jié)果:
foo = (char *) malloc (1024);
多行
宏的定義是跟隨 #define 在一同一行內(nèi)的,但可通過 反斜杠 \ 實現(xiàn)換行從而定義出多行的宏。
多行的宏經(jīng)過編譯后會還原到一行中。
test.c
#include <stdio.h> #define GREETING_STR \ "hello \ world" int main() { printf(GREETING_STR); }
編譯后:
int main() { printf("hello world"); return 0; }
宏展開時的順序
宏的展開是在處理源碼時按照其出現(xiàn)位置進行的,如果宏定義有嵌套關(guān)系,也是層層進行展開,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,將其展開成 GREETING_NAME "wayou",然后發(fā)現(xiàn)另一個宏 GREETING_NAME,將其展開最后得到 "hello," "wayou"。所以編譯后的代碼為:
int main() { printf("hello," "wayou"); return 0; }
其展開的順序并不是宏定義時的順序,為了驗證,可將上面示例代碼中兩個宏的定義調(diào)換一下,得到:
-#define GREETING_NAME "wayou" #define GREETING "hello," GREETING_NAME +#define GREETING_NAME "wayou"
再次編譯查看產(chǎn)出,會發(fā)現(xiàn)沒有區(qū)別,也不會報 GREETING 中所依賴的 GREETING_NAME 找不到的錯。其實 #define 只是告訴編譯器定義了這么個宏,而具體的求值,則是使用宏的地方才開始的。
像下面這樣,當宏存在覆蓋時,會以新的為準,其結(jié)果為 37。
#define BUFSIZE 1020 #define TABLESIZE BUFSIZE #undef BUFSIZE #define BUFSIZE 37
Object-like 宏
Object-like 類型的宏看起來就像普通的數(shù)據(jù)對象,故名。多用于數(shù)字常量的情形下。且宏名一般使用全大寫形式方便識別。像上面示例中,都是 Object-like 的。
Function-like 宏
也可定義出使用時像是方法調(diào)用一樣的宏,這便是 Function-like 類型的宏。
#define lang_init() c_init() lang_init() // 編譯后 c_init()
函數(shù)類型的宏只在以方法調(diào)用形式使用時才會被展開,即名稱后加括號,否則會被忽略。當宏名和函數(shù)名重名時,這一策略就會顯得有用了,比如:
extern void foo(void); #define foo() /* optimized inline version */ … foo(); funcptr = foo;
這里 foo() 的調(diào)用會來自宏里面定義的那個函數(shù),而 funcptr 會正確地指向函數(shù)地址,如果后者也被宏展開,則成了 funptr=foo() 顯然就不對了。
函數(shù)類型的宏在定義時需注意,宏名與后面括號不能有空格,否則就是普通的 Object-like 類型對象。
#define lang_init () c_init() lang_init() // 編譯后: () c_init()()
宏的參數(shù)
函數(shù)類型的宏,可以像正常函數(shù)一樣指定入?yún)?,入?yún)⑿铻槎禾柗指艉戏ǖ?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?yún)⒅械睦ㄌ?/strong>
入?yún)⒅兄恍枰ㄌ枌ΨQ,但不要求方括號或花括號成對出現(xiàn),所以下面的代碼:
macro (array[x = y, x + 1])
其入?yún)嶋H為 array[x = y 和 x + 1]。
入?yún)⒌恼归_
入?yún)⒈举|(zhì)上也是宏,對象類型的宏,在函數(shù)宏展示時,這些參數(shù)也被展示到了函數(shù)宏的函數(shù)體里。
min (min (a, b), c)
首先被展開成:
min (((a) < (b) ? (a) : (b)), (c))
然后進一步展開成(此處換行為方便閱讀,實際編譯后沒有):
((((a) < (b) ? (a) : (b))) < (c) ? (((a) < (b) ? (a) : (b))) : (c))
參數(shù)的缺省
函數(shù)宏在使用時其入?yún)⒖扇笔?,但不能全部缺省,至少提供一個入?yún)ⅰ?/p>
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
如果函數(shù)宏中入?yún)⒃谧址?,是不會被展開的,它就是普通的字符串字面量,這樣的結(jié)果是符合預(yù)期的。
#define foo(x) x, "x" foo(bar) → bar, "x"
但如果確實想將入?yún)⒄归_成字符串,可在使用入?yún)r,加上 # 前綴。
#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);
此處 #EXP 在字符串中會被正確展開。What's more, 如果這里的 x 也是宏,那只會在 if 語句中進行展開。
拼接
通過 ## 可將兩個宏展開成一個,即將兩者進行了拼接,這種操作叫 "token pasting",或 "token concatenation",就是拼接嘛。
宏拼接一般用在需要拼接的宏是來自宏參數(shù)的情況,其他情況,大可直接將兩個宏寫在一起即可,用不著 ## 指令。
考察下面這個場景,其中命令名重復(fù)出現(xiàn):
struct command { char *name; void (*function) (void); }; struct command commands[] = { { "quit", quit_command }, { "help", help_command }, … };
通過定義宏配合拼接,可達到精簡代碼的目的:
#define COMMAND(NAME) { #NAME, NAME ## _command } struct command commands[] = { COMMAND (quit), COMMAND (help), … };
不定參數(shù)
像普通函數(shù)一樣,函數(shù)類型的宏也可定義接收不定參數(shù)。
#define eprintf(…) fprintf (stderr, __VA_ARGS__)
調(diào)用時,命名參數(shù)后面,包括逗號都會進入到 __VA_ARGS__ 關(guān)鍵字當中。但 C++ 中還支持對這些參數(shù)命名從而不用 __VA_ARGS__。
eprintf ("%s:%d: ", input_file, lineno) // 編譯后: fprintf (stderr, "%s:%d: ", input_file, lineno)
C++ 中可這么寫:
#define eprintf(args…) fprintf (stderr, args)
不定參數(shù)與命名參數(shù)混合的情況
不定參數(shù)為命名參數(shù)后面省略的部分。
#define eprintf(format, …) fprintf (stderr, format, __VA_ARGS__)
預(yù)設(shè)的宏
標準庫及編譯器中預(yù)設(shè)了一些有用的宏,可以在這里 查閱。
取消和重置宏
當某個宏不再使用時,可通過 #undef 將取注銷掉。#undef 后緊跟宏名,后面不要跟其他東西,即使是函數(shù)類型的宏。
#define FOO 4 x = FOO; → x = 4; #undef FOO x = FOO; → x = FOO;
兩個宏相似的定義
滿足以下條件時,我們認為兩者是相似的:
- 類型相同,比如同為對象類型,或函數(shù)類型的宏
- 展開后各位置的符號(token)相同
- 如果是函數(shù)宏,入?yún)⑾嗤?/li>
- 空白的不限但出現(xiàn)的位置相同
比如,下面這些是相似的:
#define FOUR (2 + 2) #define FOUR (2 + 2) #define FOUR (2 /* two */ + 2)
而下面這些則不然:
#define FOUR (2 + 2) #define FOUR ( 2+2 ) // 空白位置不一樣 #define FOUR (2 * 2) // 宏的內(nèi)容不一樣 #define FOUR(score,and,seven,years,ago) (2 + 2) // 入?yún)⒉灰粯?/pre>
宏重復(fù)定義時的表現(xiàn)
對于使用了 #undef 注銷過的宏,再次定義同名的宏時,要求新定義的宏不與老的相似。
而如果說一個已經(jīng)存在的宏,并沒有注銷,重復(fù)定義時,如果相似,則新的定義會忽略,如果不相似,編譯器會報警告同時使用新定義的宏。這允許在多個文件中定義同一個宏。
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總結(jié)
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