c/c++預處理過程詳解(一)之文件包含、宏定義



其實本文原本是打算研究一下#define的,後來發現預處理是個不可避免的問題。

在講#define 前需要講講 #

# 涉及到宏的概念,宏是編譯器預處理的一個重要步驟

 

先講講預處理吧,因為預處理是c/c++的一個重要知識點

在C語言的程序中可包括各種以符號#開頭的編譯指令,這些指令稱為預處理命令。

預處理命令屬於C語言編譯器,而不是C語言的組成部分。

 在集成開發環境中,編譯,鏈接是同時完成的。其實,C語言編譯器在對源代碼編譯之前,還需要進一步的處理:預編譯。













一、#define的基本用法

    #define是C語言中提供的宏定義命令,其主要目的是為程序員在編程時提供一定的方便,並能在一定程度上提高程序的運行效率,但學生在學習時往往不能 理解該命令的本質,總是在此處產生一些困惑,在編程時誤用該命令,使得程序的運行與預期的目的不一致,或者在讀別人寫的程序時,把運行結果理解錯誤,這對 C語言的學習很不利。

1 #define命令剖析

1.1   #define的概念

    #define命令是C語言中的一個宏定義命令,它用來將一個標識符定義為一個字符串,該標識符被稱為宏名,被定義的字符串稱為替換文本。
該命令有兩種格式:一種是簡單的宏定義,另一種是帶參數的宏定義。

(1)簡單的宏定義:
#define <宏名>  <字符串>
例: #define PI 3.1415926
(2) 帶參數的宏定義
 
#define <宏名> (<參數表>) <宏體>
例: #define A(x) x
    一個標識符被宏定義後,該標識符便是一個宏名。這時,在程序中出現的是宏名,在該程序被編譯前,先將宏名用被定義的字符串替換,這稱為宏替換,替換後才進行編譯,宏替換是簡單的替換。

1.2 宏替換發生的時機

    為了能夠真正理解#define的作用,讓我們來了解一下對C語言源程序的處理過程。當我們在一個集成的開發環境如Turbo C中將編寫好的源程序進行編譯時,實際經過了預處理、編譯、彙編和連接幾個過程。其中預處理器產生編譯器的輸出,它實現以下的功能:
(1)文件包含
    可以把源程序中的#include 擴展為文件正文,即把包含的.h文件找到並展開到#include 所在處。
(2)條件編譯
    預處理器根據#if和#ifdef等編譯命令及其後的條件,將源程序中的某部分包含進來或排除在外,通常把排除在外的語句轉換成空行。
(3)宏展開
    預處理器將源程序文件中出現的對宏的引用展開成相應的宏 定義,即本文所說的#define的功能,由預處理器來完成。
    經過預處理器處理的源程序與之前的源程序有所有不同,在這個階段所進行的工作只是純粹的替換與展開,沒有任何計算功能,所以在學習#define命令時只要能真正理解這一點,這樣才不會對此命令引起誤解並誤用。

2 #define使用中的常見問題解析

2.1 簡單宏定義使用中出現的問題

    在簡單宏定義的使用中,當替換文本所表示的字符串為一個表達式時,容易引起誤解和誤用。如下例:
   
例1 #define N 2+2
void main()
{
   int a=N*N;
   printf(“%d”,a);
}
    (1) 出現問題:
 
    在此程序中存在著宏定義命令,宏N代表的字符串是2+2,在程序中有對宏N的使用,一般同學在讀該程序時,容易產生的問題是先求解N為2+2=4,然後在程序中計算a時使用乘法,即N*N=4*4=16,其實該題的結果為8,為什麼結果有這麼大的偏差?

    (2) 問題解析:
 
    如1節所述,宏展開是在預處理階段完成的,這個階段把替換文本只是看作一個字符串,並不會有任何的計算發生,在展開時是在宏N出現的地方 只是簡單地使用串2+2來代替N,並不會增添任何的符號,所以對該程序展開後的結果是a=2+2*2+2,計算後=8,這就是宏替換的實質,如何寫程序才能完成結果為16的運算呢?

    (3)解決辦法:
 
/*將宏定義寫成如下形式*/
#define N (2+2)
/*這樣就可替換成(2+2)*(2+2)=16*/

2.2 帶參數的宏定義出現的問題

    在帶參數的宏定義的使用中,極易引起誤解。例如我們需要做個宏替換能求任何數的平方,這就需要使用參數,以便在程序中用實際參數來替換宏定義中的參數。一般學生容易寫成如下形式:
#define area(x) x*x
/*這在使用中是很容易出現問題的,看如下的程序*/

void main()
{
    int y = area(2+2);
    printf(“%d”,y);
}
    按理說給的參數是2+2,所得的結果應該為4*4=16,但是錯了,因為該程序的實際結果為8,仍然是沒能遵循純粹的簡單替換的規則,又是先計算再替換 了,在這道程序裡,2+2即為area宏中的參數,應該由它來替換宏定義中的x,即替換成2+2*2+2=8了。那如果遵循(1)中的解決辦法,把2+2 括起來,即把宏體中的x括起來,是否可以呢?#define area(x) (x)*(x),對於area(2+2),替換為(2+2)*(2+2)=16,可以解決,但是對於area(2+2)/area(2+2)又會怎麼樣呢,有的學生一看到這道題馬上給出結果,因為分子分母一樣,又錯了,還是忘了遵循先替換再計算的規則了,這道題替換後會變為 (2+2)*(2+2)/(2+2)*(2+2)即4*4/4*4按照乘除運算規則,結果為16/4*4=4*4=16,那應該怎麼呢?解決方法是在整個宏體上再加一個括號,即#define   area(x) ((x)*(x)),不要覺得這沒必要,沒有它,是不行的。
    要想能夠真正使用好宏定義,那麼在讀別人的程序時,一定要記住先將程序中對宏的使用全部替換成它所代表的字符串,不要自作主張地添加任何其他符號,完全展開後再進行相應的計算,就不會寫錯運行結果。
    如果是自己編程使用宏替換,則在使用簡單宏定義時,當字符串中不只一個符號時,加上括號表現出優先級,如果是帶參數的宏定義,則要給宏體中的每個參數加上括號,並在整個宏體上再加一個括號。看到這裡,不禁要問,用宏定義這麼麻煩,這麼容易出錯,可不可以摒棄它, 那讓我們來看一下在C語言中用宏定義的好處吧。
如:
#include <iostream.h>
#define product(x)    x*x
int main()
{
    int i=3;
    int j,k;
    j = product(i++);
    cout<<"j="<<j<<endl;
    cout<<"i="<<i<<endl;
    k = product(++i);
    cout<<"k="<<k<<endl;
    cout<<"i="<<i<<endl;
    return 0;
}
依次輸出結果:
j=9;i=5;k=49;i=7


3 宏定義的優點

(1)   方便程序的修改

    使用簡單宏定義可用宏代替一個在程序中經常使用的常量,這樣在將該常量改變時,不用對整個程序進行修改,只修改宏定義的字符串即可,而且當常量比較長時, 我們可以用較短的有意義的標識符來寫程序,這樣更方便一些。我們所說的常量改變不是在程序運行期間改變,而是在編程期間的修改,舉一個大家比較熟悉的例子,圓周率π是在數學上常用的一個值,有時我們會用3.14來表示,有時也會用3.1415926等,這要看計算所需要的精度,如果我們編制的一個程序中 要多次使用它,那麼需要確定一個數值,在本次運行中不改變,但也許後來發現程序所表現的精度有變化,需要改變它的值, 這就需要修改程序中所有的相關數值,這會給我們帶來一定的不便,但如果使用宏定義,使用一個標識符來代替,則在修改時只修改宏定義即可,還可以減少輸入 3.1415926這樣長的數值多次的情況,我們可以如此定義 #define   pi   3.1415926,既減少了輸入又便於修改,何樂而不為呢?

(2) 提高程序的運行效率

    使用帶參數的宏定義可完成函數調用的功能,又能減少系統開銷,提高運行效率。正如C語言中所講,函數的使用可以使程序更加模塊化,便於組織,而且可重復利用,但在發生函數調用時,需要保留調用函數的現場,以便子 函數執行結束後能返回繼續執行,同樣在子函數執行完後要恢復調用函數的現場,這都需要一定的時間,如果子函數執行的操作比較多,這種轉換時間開銷可以忽 略,但如果子函數完成的功能比較少,甚至於只完成一點操作,如一個乘法語句的操作,則這部分轉換開銷就相對較大了,但使用帶參數的宏定義就不會出現這個問 題,因為它是在預處理階段即進行了宏展開,在執行時不需要轉換,即在當地執行。宏定義可完成簡單的操作,但復雜的操作還是要由函數調用來完成,而且宏定義所占用的目標代碼空間相對較大。所以在使用時要依據具體情況來決定是否使用宏定義。

4 結語

    本文對C語言中宏定義#define在使用時容易出現的問題進行了解析,並從C源程序處理過程的角度對#define的處理進行了分析,也對它的優點進行 了闡述。只要能夠理解宏展開的規則,掌握使用宏定義時,是在預處理階段對源程序進行替換,只是用對應的字符串替換程序中出現的宏名,這樣就可在正確使用的 基礎上充分享受使用宏定義帶來的方便和效率了

二、define中的三個特殊符號:#,##,#@

#define Conn(x,y) x##y
#define ToChar(x) #@x
#define ToString(x) #x
(1)x##y表示什麼?表示x連接y,舉例說:
int n = Conn(123,456); /* 結果就是n=123456;*/
char* str = Conn("asdf", "adf"); /*結果就是 str = "asdfadf";*/
(2)再來看#@x,其實就是給x加上單引號,結果返回是一個const char。舉例說:
char a = ToChar(1);結果就是a='1';
做個越界試驗char a = ToChar(123);結果就錯了;
但是如果你的參數超過四個字符,編譯器就給給你報錯了!
error C2015: too many characters in constant   :P
(3)最後看看#x,估計你也明白了,他是給x加雙引號
char* str = ToString(123132);就成了str="123132";
三、常用的一些宏定義

1 防止一個頭文件被重復包含 
#ifndef BODYDEF_H 
#define BODYDEF_H 
 //頭文件內容 

#endif
 
2 得到指定地址上的一個字節或字

#define MEM_B( x ) ( *( (byte *) (x) ) ) 
#define MEM_W( x ) ( *( (word *) (x) ) )
用法如下:
#include <iostream>
#include <windows.h>

#define MEM_B(x) (*((byte*)(x)))
#define MEM_W(x) (*((WORD*)(x)))

int main()
{
    int bTest = 0x123456;

    byte m = MEM_B((&bTest));/*m=0x56*/
    int n = MEM_W((&bTest));/*n=0x3456*/

    return 0;
}

3 得到一個field在結構體(struct)中的偏移量

 
#define OFFSETOF( type, field ) ( (size_t) &(( type *) 0)-> field )
    請參考文章:詳解寫宏定義:得到一個field在結構體(struct type)中的偏移量。

4 得到一個結構體中field所占用的字節數 
#define FSIZ( type, field ) sizeof( ((type *) 0)->field )

5 得到一個變量的地址(word寬度) 
#define B_PTR( var ) ( (byte *) (void *) &(var) ) 
#define W_PTR( var ) ( (word *) (void *) &(var) )
6 將一個字母轉換為大寫

#define UPCASE( c ) ( ((c) >= ''a'' && (c) <= ''z'') ? ((c) - 0x20) : (c) )
7 判斷字符是不是10進值的數字

#define DECCHK( c ) ((c) >= ''0'' && (c) <= ''9'')
8 判斷字符是不是16進值的數字 
#define HEXCHK( c ) ( ((c) >= ''0'' && (c) <= ''9'') ||((c) >= ''A'' && (c) <= ''F'') ||((c) >= ''a'' && (c) <= ''f'') )
9 防止溢出的一個方法

#define INC_SAT( val ) (val = ((val)+1 > (val)) ? (val)+1 : (val))
10 返回數組元素的個數 
#define ARR_SIZE( a ) ( sizeof( (a) ) / sizeof( (a[0]) ) )
11 使用一些宏跟蹤調試

ANSI標准說明了五個預定義的宏名。它們是: 
_LINE_ /*(兩個下劃線),對應%d*/
_FILE_ /*對應%s*/
_DATE_ /*對應%s*/
_TIME_ /*對應%s*/
 



http://blog.csdn.net/qq_26816591/article/details/52261519
http://blog.csdn.net/u013398398/article/details/52196087


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