C语言中#define中的一些特殊用法

 

转载自:http://blog.sina.com.cn/s/blog_4a4365030100edq7.html

define是C语言中的预处理命令,它用于宏定义,可以提高源代码的可读性,为编程提供方便。

预处理命令以“#”号开头,如包含命令#include,宏定义命令#define等。一般都放在源文件的前面,它们称为预处理部分。

所谓预处理是指在进行编译之前所作的工作。预处理是C语言的一个重要功能,它由预处理程序负责完成。当对一个源文件进行编译时,系统将自动引用预处理程序对源程序中的预处理部分作处理,处理完毕自动进入对源程序的编译。

宏的定义

    在C或C++语言源程序中允许用一个标识符来表示一个字符串,称为“宏”。被定义为“宏”的标识符称为“宏名”。在编译预处理时,对程序中所有出现的“宏名”,都用宏定义中的字符串去代换,这称为“宏代换”或“宏展开”。宏定义是由源程序中的宏定义命令完成的。宏代换是由预处理程序自动完成的。

    在C或C++语言中,“宏”分为有参数和无参数两种。

无参数宏定义

    无参数宏就是不带参数,其定义的一般形式为:

  #define 标识符 字符串

  “标识符”为所定义的宏名。“字符串”可以是常数、表达式、格式串等。

  例如:

  #define PI 3.14

    它的作用是指定标识符PI来代替常数3.14。在编写源程序时,所有用到3.14的地方都可用PI代替,而对源程序作编译时,将先由预处理程序进行宏代换,即用3.14去置换所有的宏名PI,然后再进行编译。

    宏定义是用宏名来表示一个字符串,在宏展开时又以该字符串取代宏名,这只是一种简单的代换,字符串可以是常数,也可以是表达式,预处理程序对它不作任何检查。如有错误,只能在编译已被宏展开后的源程序时发现。

    宏定义不是说明或语句(它是预处理指令),在行末不必加分号,如加上分号则连分号也一起置换。

    下面举一个无参数宏替代常数的例子:

 

#define PI 3.14
#include<stdio.h> 
int main()
{float r = 1.0;float area = PI*r*r;printf("The area of the circle is%f",area);return 0;
}

    再举一个使用无参数宏替代字符串的例子:

 

#define M (y*y+3*y)
#include<stdio.h>
int main()
{int s,y;printf("input a number: ");scanf("%d",&y);s = 3*M + 4*M + 5*M;printf("s=%d\n",s);return 0;
}

#define M (y*y+3*y) 定义M表达式(y*y+3*y)。在编写源程序时,所有的(y*y+3*y)都可由M代替,而对源程序作编译时,将先由预处理程序进行宏代换,即用 (y*y+3*y)表达式去置换所有的宏名M,然后再进行编译。

上例程序中首先进行宏定义,定义M表达式(y*y+3*y),在s=3*M+4*M+5* M中作了宏调用。在预处理时经宏展开后该语句变为:s=3*(y*y+3*y)+4*(y*y+3*y)+5* (y*y+3*y);但要注意的是,在宏定义中表达式(y*y+3*y)两边的括号不能少。否则会发生错误。

带参数宏定义

  C语言允许宏带有参数。在宏定义中的参数称为形式参数,在宏调用中的参数称为实际参数。对带参数的宏,在调用中,不仅要宏展开,而且要用实参去代换形参。

  带参数宏定义的一般形式为:

  #define 宏名(形参表) 字符串

  在字符串中含有各个形参。

  带参数宏调用的一般形式为:

  宏名(实参表)

  例如:

  #define M(y) y*y+3*y

  ....

  k=M(5);

  ....

  在宏调用时,用实参5去代替形参y,经预处理宏展开后的语句为:

  k=5*5+3*5

    举一个具体例子:

 

#define MAX(a,b) (a>b)?a:b
#include<stdio.h>
int main()
{int x,y,max;printf("input two numbers: ");scanf("%d%d",&x,&y);max = MAX(x,y);printf("max=%d\n",max);return 0;
}

    上例程序的第一行进行带参数宏定义,用宏名MAX表示条件表达式(a>b)?a:b,形参a,b均出现在条件表达式中。程序第七行max = MAX(x, y)为宏调用,实参x,y,将代换形参a,b。宏展开后该语句为: max = (x>y)?x:y;用于计算x,y中的大数。

    对于带参的宏定义有以下问题需要说明:

    1. 带参宏定义中,宏名和形参表之间不能有空格出现。

    例如把: #define MAX(a,b) (a>b)?a:b写为: #define MAX (a,b) (a>b)?a:b 将被认为是无参宏定义,宏名MAX代表字符串 (a,b)(a>b)?a:b。

    宏展开时,宏调用语句: max = MAX(x,y);将变为: max = (a,b)(a>b)?a:b(x,y);这显然是错误的。

    2. 在宏定义中的形参是标识符,而宏调用中的实参可以是表达式。

 

#define SQ(y) (y)*(y)
#include<stdio.h>
int main()
{int a,sq;printf("input a number: ");scanf("%d",&a);sq=SQ(a+1);printf("sq=%d\n",sq);return 0;
}

    上例中第一行为宏定义,形参为y。程序第七行宏调用中实参为a+1,是一个表达式,在宏展开时,用a+1代换y,再用(y)*(y) 代换SQ,得到如下语句: sq=(a+1)*(a+1); 这与函数的调用是不同的,函数调用时要把实参表达式的值求出来再赋予形参。而宏代换中对实参表达式不作计算直接地照原样代换。

    3. 在宏定义中,字符串内的形参通常要用括号括起来以避免出错。在上例中的宏定义中(y)*(y)表达式的y都用括号括起来,结果是正确的。如果去掉括号,把程序改为以下形式:

 

#define SQ(y) y*y
#include<stdio.h>
int main()
{int a,sq;printf("input a number: ");scanf("%d",&a);sq=SQ(a+1);printf("sq=%d\n",sq);return 0;
}运行结果为:input a number:3

    sq=7 (我们期望的结果却是16)。

    问题在哪里呢? 这是由于代换只作符号代换而不作其它处理而造成的。 宏代换后将得到以下语句: sq=a+1*a+1; 由于a为3故sq的值为7。这显然与题意相违,因此参数两边的括号是不能少的。有时候,即使在参数两边加括号还是不够的,请看下面程序:

 

#define SQ(y) (y)*(y)
#include<stdio.h>
int main()
{int a,sq;printf("input a number: ");scanf("%d",&a);sq=160/SQ(a+1);printf("sq=%d\n",sq);return 0;
}

    本程序与前例相比,只把宏调用语句改为: sq=160/SQ(a+1); 运行本程序如输入值仍为3时,希望结果为10。但实际运行的结果如下:input a number:3 sq=160。

    为什么会得这样的结果呢?分析宏调用语句,在宏代换之后变为: sq=160/(a+1)*(a+1);a为3时,由于“/”和“*”运算符优先级和结合性相同,则先作160/(3+1)得40,再作40*(3+1)最后得160。为了得到正确答案应在宏定义中的整个字符串外加括号,程序修改如下:

 

#define SQ(y) ((y)*(y))
#include<stdio.h>
int main()
{int a,sq;printf("input a number: ");scanf("%d",&a);sq=160/SQ(a+1);printf("sq=%d\n",sq);return 0;
}

    以上讨论说明,对于宏定义,保险的做法是不仅应在参数两侧加括号,也应在整个字符串外加括号。

    4. 带参数的宏和带参函数很相似,但有本质上的不同,把同一表达式用函数处理与用宏处理两者的结果有可能是不同的。

    下面举一个例子进行对比:

    使用函数:

 

#include<stdio.h>
int SQ(int);
int main()
{int i=1;while(i<=5)printf("%d\n",SQ(i++));return 0;
}
int SQ(int y)
{return((y)*(y));
}使用宏:
#define SQ(y) ((y)*(y))
#include<stdio.h>
intmain()
{int i=1;while(i<=5)printf("%d\n",SQ(i++));return 0;
}

    在使用函数的例子中函数名为SQ,形参为Y,函数体表达式为((y)*(y))。在使用宏的例子中宏名为SQ,形参也为y,字符串表达式为(y)*(y))。两例表面是相同的,函数调用为SQ(i++),宏调用为SQ(i++),实参也是相同的。但输出结果却大不相同,分析如下:

    在使用函数的例子中,函数调用是把实参i值传给形参y后自增1。然后输出函数值。因而要循环5次。输出1~5的平方值。而在使用宏的例子中,宏调用时,只作代换。SQ(i++)被代换为((i++)*(i++))。在第一次循环时,由于i等于1,其计算过程为:表达式中前一个i初值为1,然后i自增1变为2,因此表达式中第2个i初值为2,两相乘的结果也为2,然后i值再自增1,得3。在第二次循环时,i值已有初值为3,因此表达式中前一个i为3,后一个i为4,乘积为12,然后i再自增1变为5。进入第三次循环,由于i 值已为5,所以这将是最后一次循环。计算表达式的值为5*6等于30。i值再自增1变为6,不再满足循环条件,停止循环。从以上分析可以看出函数调用和宏调用二者在形式上相似,在本质上是完全不同的。

 

"\","#","#@"和"##"

    在用#define 定义时 , 斜杠("\")是用来续行的,"#"用来把参数转换成字符串,是给参数加上双引号。"##"则用来连接前后两个参数,把它们变成一个字符串,"#@"是给参数加上单引号。下面的例子会使您很容易理解。

 

#define Conn(x,y) x##y
#define ToChar(a) #@a
#define ToString(x) #xintn = Conn(123,456);   结果就是n=123456;
char*str = Conn("asdf", "adf")结果就是 str = "asdfadf";
chara = ToChar(1);结果就是a='1';
char*str = ToString(123132);就成了str="123132";

    为什么需要”#”,” #@”和”##”这三个操作符呢?原因如下:

    宏名在源程序中若用引号括起来,则预处理程序不对其作宏代换。如下:

 

#define OK 100
#include<stdio.h>
int main()
{printf("OK");printf("\n");return 0;
}

    上例中定义宏名OK表示100,但在printf语句中OK被引号括起来,因此不作宏代换。程序的运行结果为:OK,这表示把“OK”当字符串处理。

    同样,宏名在源程序中若用单引号括起来,则预处理程序也不对其作宏代换。

宏定义的嵌套

    宏定义允许嵌套,在宏定义的字符串中可以使用已经定义的宏名。在宏展开时由预处理程序层层代换。例如:

#define PI 3.1415926

#define S PI*y*y

对语句: printf("%f",s);

在宏代换后变为: printf("%f",3.1415926*y*y);

结束语

    使用宏代替一个在程序中经常使用的常量,这样该常量改变时,不用对整个程序进行修改,只修改宏定义的字符串即可,而且当常量比较长时,我们可以用较短的有意义的标识符来写程序,这样更方便一些。举一个大家比较熟悉的例子,圆周率π是在数学上常用的一个值,有时我们会用3.14来表示,有时也会用3.1415926等,这要看计算所需要的精度,如果我们编制的一个程序中要多次使用它,那么需要确定一个数值,在本次运行中不改变,但也许后来发现程序所表现的精度有变化,需要改变它的值,这就需要修改程序中所有的相关数值,这会给我们带来一定的不便,但如果使用宏定义,使用一个标识符来代替,则在修改时只修改宏定义即可,还可以减少输入 3.1415926这样长的数值多次的情况,我们可以如此定义 #define   pi  3.1415926,既减少了输入又便于修改,何乐而不为呢?

    另外,使用带参数的宏定义可完成函数调用的功能,又能减少系统开销,提高运行效率。正如C语言中所讲,函数的使用可以使程序更加模块化,便于组织,而且可重复利用,但在发生函数调用时,需要保留调用函数的现场,以便子函数执行结束后能返回继续执行,同样在子函数执行完后要恢复调用函数的现场,这都需要一定的时间,如果子函数执行的操作比较多,这种转换时间开销可以忽略,但如果子函数完成的功能比较少,甚至于只完成一点操作,如一个乘法语句的操作,则这部分转换开销就相对较大了,但使用带参数的宏定义就不会出现这个问题,因为它是在预处理阶段即进行了宏展开,在执行时不需要转换,即在当地执行。宏定义可完成简单的操作,但复杂的操作还是要由函数调用来完成,而且宏定义所占用的目标代码空间相对较大。所以在使用时要依据具体情况来决定是否使用宏定义。

    韩耀旭 han_yao_xu@163.com,欢迎转载,保持完整。

 

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