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詳解C語言中函數(shù)宏的三種封裝方式

更新時(shí)間：2023年03月20日 08:31:35 作者：☆星軌★

函數(shù)宏，即包含多條語句的宏定義，其通常為某一被頻繁調(diào)用的功能的語句封裝，且不想通過函數(shù)方式封裝來降低額外的彈棧壓棧開銷。本文就來聊聊函數(shù)宏的三種封裝方式吧

1. 函數(shù)宏介紹

函數(shù)宏，即包含多條語句的宏定義，其通常為某一被頻繁調(diào)用的功能的語句封裝，且不想通過函數(shù)方式封裝來降低額外的彈棧壓棧開銷。

函數(shù)宏本質(zhì)上為宏，可以直接進(jìn)行定義，例如：

#define INT_SWAP(a,b) \
    int tmp = a;    \
    a = b;          \
    b = tmp

但上述的宏具有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：當(dāng)遇到 if、while 等語句且不使用花括號(hào)僅調(diào)用宏時(shí)，實(shí)際作用范圍在宏的第一個(gè)分號(hào)后便結(jié)束。即 a = b 和 b = tmp 均不受控制語句所作用。

因此，在工程中，一般使用三種方式來對(duì)函數(shù)宏進(jìn)行封裝，分別為 {}、do{...}while(0) 和 ({})。下文將一一對(duì)三種方式進(jìn)行分析，比較各自的優(yōu)劣點(diǎn)。

2. {} 方式

INT_SWAP 宏使用 {} 封裝后形態(tài)如下：

#define INT_SWAP(a,b)\
{                   \
    int tmp = a;    \
    a = b;          \
    b = tmp;        \
}

此時(shí)，直接調(diào)用與在無花括號(hào)的控制語句（如 if、while）中調(diào)用均能正常運(yùn)行，例如：

#define INT_SWAP(a,b) \
{                   \
    int tmp = a;    \
    a = b;          \
    b = tmp;        \
}

int main()
{
	int var_a = 1;
	int var_b = 2;

	INT_SWAP(var_a, var_b);
	printf("var_a = %d, var_b = %d\n", var_a, var_b);   // var_a = 2, var_b = 1
	
	if (1)
	   INT_SWAP(var_a, var_b);
	printf("var_a = %d, var_b = %d\n", var_a, var_b);   // var_a = 1, var_b = 2
}

但當(dāng)無花括號(hào)的 if 語句存在其他分支（else if、else 等）如：

if (1)
   INT_SWAP(var_a, var_b);
else
    printf("hello world!\n");

會(huì)發(fā)現(xiàn)編譯出錯(cuò)：

...
/mnt/hgfs/share/pr_c/src/main.c: In function ‘main’:
/mnt/hgfs/share/pr_c/src/main.c:18:2: error: ‘else’ without a previous ‘if’
else

這是因?yàn)?INT_SWAP(var_a, var_b); 最后的 ; 已經(jīng)把 if 的作用域終結(jié)了，后續(xù)的 else 當(dāng)然沒有找到與之匹配的 if 了。

因此，解決方法有兩種，分別為不使用 ;（port.1）或規(guī)定必須使用帶花括號(hào)的 if（port.2），例如：

/* port.1 */
if (1)
   INT_SWAP(var_a, var_b)
else
{
    printf("hello world!\n");
}

/* port.2 */
if (1)
{
   INT_SWAP(var_a, var_b);
}
else
{
    printf("hello world!\n");
}

可見，不使用 ; 的調(diào)用方式無論從程序閱讀還是使用方法方面都是十分別扭的；而規(guī)定必須使用帶花括號(hào)的 if 的調(diào)用方式有違常理的，因?yàn)楹旰瘮?shù)應(yīng)該適用于任何語法。

優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)：

優(yōu)點(diǎn)：簡單粗暴。
缺點(diǎn)：不能在無花括號(hào)且有分支的 if 語句中直接調(diào)用；能夠不帶 ; 直接調(diào)用。

3. do{...}while(0) 方式

INT_SWAP 宏使用 do{...}while(0) 封裝后形態(tài)如下：

#define INT_SWAP(a,b)   \
do{                     \
    int tmp = a;        \
    a = b;              \
    b = tmp;            \
}while(0)

do{...}while(0) 表示只執(zhí)行一遍 {} 內(nèi)的語句，表象來說與 {} 的功能是一致的。不同的是，do{...}while(0) 可以提前退出函數(shù)宏、整合為一條語句與強(qiáng)制調(diào)用時(shí)必須使用 ;。

由于 do{...}while(0) 實(shí)際為 while 循環(huán)，因此可以使用關(guān)鍵字 break 提前結(jié)束循環(huán)。利用該特性，可以為函數(shù)宏添加參數(shù)檢測。例如：

#define INT_SWAP(a,b)     \
do{                       \
    if (a < 0 || b < 0)    \
        break;            \
    int tmp = a;        \
    a = b;              \
    b = tmp;            \
}while(0)

由于 do{...}while(0); 實(shí)際為一種語法，編譯器會(huì)把 do{...}while(0); 認(rèn)為為一條語句。因此，do{...}while(0) 方式的函數(shù)宏可以在無花括號(hào)且有分支的 if 語句中直接調(diào)用。例如：

#define INT_SWAP(a,b) 	\
do{       		        \
	if (a < 0 || b < 0)	\
		break;			\
    int tmp = a;    	\
    a = b;          	\
    b = tmp;        	\
}while(0)

int main()
{
	int var_a = 1;
	int var_b = 2;

	if (1)
	   INT_SWAP(var_a, var_b);
	else
		printf("hello world!\n");	
	printf("var_a = %d, var_b = %d\n", var_a, var_b);	// var_a = 2, var_b = 1

	return 0;
}

C 語言規(guī)定，do{...}while(0) 語法必須使用 ; 作為語句結(jié)尾。因此不可能存在以下語句的程序出現(xiàn)：

if (1)
   INT_SWAP(var_a, var_b)
else
{
    printf("hello world!\n");    
}

優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)：

優(yōu)點(diǎn)：支持在無花括號(hào)且有分支的 if 語句中直接調(diào)用；支持提前退出函數(shù)宏；強(qiáng)制調(diào)用時(shí)必須使用 ;。
缺點(diǎn)：無返回值，不能作為表達(dá)式的右值使用。

4. ({}) 方式

({}) 為 GNU C 擴(kuò)展的語法，非 C 語言的原生語法。

INT_SWAP 宏使用 ({}) 封裝后形態(tài)如下：

#define INT_SWAP(a,b)   \
({                      \
    int tmp = a;        \
    a = b;              \
    b = tmp;            \
})

與 do{...}while(0) 相同，({}) 支持在無花括號(hào)且有分支的 if 語句中直接調(diào)用。例如：

#define INT_SWAP(a,b) 	\
({       		        \
	int tmp = a;    \
	a = b;          \
	b = tmp;        \
})

int main()
{
	int var_a = 1;
	int var_b = 2;
	
	if (1)
	   INT_SWAP(var_a, var_b);
	else
		printf("hello world!\n");
	printf("var_a = %d, var_b = %d\n", var_a, var_b);	// var_a = 2, var_b = 1
	
	return 0;
}

與 do{...}while(0) 不同的是，({}) 不能提前退出函數(shù)宏與支持返回值。({}) 畢竟不是 while 循環(huán)，不能直接使用 break 退出函數(shù)宏是比較容易理解。那支持返回值是什么意思呢？

答案是 C 語言規(guī)定 ({}) 中的最后一條語句的結(jié)果為該雙括號(hào)體的返回值。例如：

int main()
{
    int a = ({
        10;
        1000;
    });
    printf("a = %d\n", a);      // a = 1000
}

因此，({}) 可以為函數(shù)宏提供返回值。例如：

#define INT_SWAP(a,b) 	\
({       		        \
	int ret = 0;		\
	if (a < 0 || b < 0)	\
	{					\
		ret = -1;		\
	}					\
	else				\
	{					\
		int tmp = a;    \
		a = b;          \
		b = tmp;        \
	}					\
	ret;				\
})

int main()
{
	int var_a = 1;
	int var_b = 2;
	
	if (INT_SWAP(var_a, var_b) != -1)
		printf("swap success !!\n");					// swap success !!
	else
		printf("swap fail !!\n");	
	printf("var_a = %d, var_b = %d\n", var_a, var_b);	// var_a = 2, var_b = 1
	
	return 0;
}

可見，此時(shí)的 INT_SWAP 宏已與函數(shù)十分接近。

優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)：