预处理指令——那些你可能不知道的概念

前言：预处理是我们的c语言源代码成为可执行程序的第一个步骤。而宏和预处理指令都是在这个阶段完成。本节内容就是关于宏和预处理指令相关知识点的解析。

宏

预定义符号

#define定义常量

#define定义符号

#define定义宏

带副作用的宏参数

宏的替换规则

宏相对于函数的特点

#和##

命名约定

undef

命令行定义

条件编译

头文件包含

如何防止头文件被多次包含：

宏

预定义符号

在c语言之中，定义了下面这几个宏定义符号。同样的，因为预定义符号是宏，它也是在预处理阶段进行处理。

__LINE__代表文件当前位置的行号；

__FILE__代表当前的源文件；

__DATE__代表文件被编译的日期;

__TIME__代表了文件被编译的时间；

__STOC__如果编译器遵循标准c语言也就是ANSI C，那么这个值就是1，否则就是未定义。

#define定义常量

#define可以定义常量，具体做法如下

#include<iostream>
using namespace std;#define MAX 10//定义常量
int main()
{for (int i = 0; i < MAX; i++) {cout << i << endl;}return 0;
}

这里就是#define定义常量，常量值应该在常量名后边。

#define定义常量的本质其实就是一种替换，预处理阶段，编译器会将源代码中的#define定义的常量进行替换。什么意思？如下：

现在我们还是看上面一串代码：

当预处理之后，这串代码就变成了：

#include<iostream>
using namespace std;int main()
{for (int i = 0; i < 10; i++) {cout << i << endl;}return 0;
}

这里的MAX进行了替换。

既然#define定义常量的本质是完成替换，那么在进行#define定义常量的时候需不需要在末尾加上分号？

答案是不需要，因为加上分号可能出现以下这种情况：

这里就出现了一个问题，当MAX被替换后， for的括号里变成了: “int i = 0; i < 10;;i++"，第二个判断条件和第三个变化条件之间有了两个分号，相当于for括号里有了四条语句。这就出现了问题。所以，当我们使用#define定义常量的时候，不要再末尾加上分号！

当然，这里的常量也包括常量字符串

#include<iostream>
using namespace std;#define STR "sdfsd"int main() 
{cout << STR << endl;return 0;
}

#define定义符号

#define也可以定义符号，比如：


#include<iostream>
using namespace std;#define FOR for(;;)int main() 
{FOR;return 0;
}

注意，这串代码就是一个死循环。因为FOR是#define定义的符号。在预处理的时候， FOR被替换成了for(;;),这里面判断条件为空，恒为真，所以就是一个死循环。

#define也可以定义一串很长的代码：

#include<iostream>
using namespace std;#define MYFILE printf("name:%s, line:%s, data:%s",\__FILE__, __LINE__, __DATE__)
int main() 
{MYFILE;return 0;
}

这个红色箭头指向的其实是续行符，后面不能加空格，否则续行符无效。续行符之后直接回车换行。

#define定义宏

什么是宏，宏和上面的定义符号和定义常量有什么区别？

同样的，宏也是#define定义的一串代码，但是它和上面的区别是宏是有参数的。定义宏的时候，参数列表必须紧紧挨着宏名，否则，参数列表会被当成宏体。

如下就是一个宏定义：

#include<iostream>
using namespace std;#define ADD(x, y) x + yint main() 
{int ret = ADD(1, 2);return 0;
}

这个宏定义的工作原理是这样的，首先1先传给x， 2传给y，然后ADD参数列表的x， y的值传给宏体。再完成替换。

替换后就是这样的

#include<iostream>
using namespace std;int main() 
{int ret = 1 + 2;return 0;
}

现在想一个问题。既然宏是在预处理阶段就完成替换，那么他是不是比函数的速度快。因为函数需要在运行的时候调用，而宏是在预处理阶段就完成替换，宏体的代码就在相应的位置展开了。

答案是是的，宏确实要比函数快。宏在预处理阶段直接完成替换，不需要去建立栈帧消耗时间。而且，宏的参数也没有类型：

参数没有了类型，就相当于没有了类型检查。这样有好处也有缺点，好处是参数没有了类型，更加的灵活。但缺点也是如此，因为宏的参数没有了类型，没有了类型检查，代码就容易出现问题。这说明了宏不易调试的缺点。

这里说明宏也不全是优点，他也是有缺点的。

另外，宏还有另外一个不可忽视的缺点——优先级问题。现在我们来看这么一串代码。

#include<iostream>
using namespace std;#define Mul(x, y) x * yint main() 
{int ret = Mul(1 + 3, 2 + 3);return 0;
}

这一串代码，宏替换后是这样的： 1 + 3 * 2 + 3；

这显然与我们的预期不符。如果这里是一个函数的话。那么参数传送过去就应该是：4 * 5；这样的优先级问题可以成为内部的优先级问题。

那么，外部的优先级问题呢？


#include<iostream>
using namespace std;#define ADD(x, y) x + yint main() 
{int ret = ADD(1, 2) * 4;return 0;
}

如图就是一个外部的优先级问题。宏替换后代码是这样的： 1 + 2 * 4；与我们的预期同样不符。我们的预期是这样的： 1 + 2 等于三，然后3 * 4；

所以，这里也涉及到了优先级的问题。

我们要解决上面的问题，那么定义的宏体就应该解决内部和外部的优先级问题。可以这样定义：

#define ADD(x, y) ((x) + (y))

带副作用的宏参数

有一些表达式是有副作用的。

比如说++， --符号。

int main() 
{int a = 0;int b = 1;int a = ++b;return 0;
}

看这串代码，前置++对于b来说就是有副作用的。虽然给a赋值了一个b + 1，但是b自身的值也发生了改变。

我们定义一个求最大值的宏：

#define MAX(x, y) x > y ? x : y

在这个表达式中，看似是没有问题的。但是如果我们使用自增自减符号的时候就有问题。

#include<iostream>
using namespace std;#define MAX(x, y) x > y ? x : y
int main() 
{int a = 3;int b = 4;int ret = MAX(a++, b++);cout << a << endl;cout << b << endl;cout << ret << endl;return 0;
}

这个参数是如何进行的呢

其实，替换之后应该是这样的：a++ > b++ ? a++ : b++;

这里的a++和b++都出现了两份

这里都是后置加加， a++ > b++这里是a的值3和b的值4进行比较。比较完之后a加一编程4， b加一变成5。然后3 小于4，执行b++， b的值进行返回，返回的是五，但是b此时还进行了一次++，所以b变成了6. 所以ret为5， a为4， b为6.

所以如果宏的参数在代码中不知出现一次，而且宏的参数带有副作用。那么代码就可能出现问题。因为宏的参数不是计算之后再传进去，而是直接进行替换。

宏的替换规则

1、在调用宏时，首先对参数进行检查，看是否包含任何#define定义的符号。如果是，首先被替换。如图：

#include<iostream>
using namespace std;#define MAX(x, y) x > y
#define M 10int main() 
{int a = 3;MAX(a, M);return 0;
}

这里先进行替换的就是M，将M替换为10之后再替换MAX，替换后就是a > 10

注意，宏参数和#define定义中可以出现其他#define定义的符号，但是宏不能出现递归。宏不支持递归。

#include<iostream>
using namespace std;#define MAX(x, y) x > y
#define M 10int main() 
{int a = 3;MAX(a, MAX(a, 1));return 0;
}

注，这里并不会进行递归。他只是将a和1先传参，替换掉里面的宏定义。然后得到的结果和a再进行传参，替换掉外面的宏。

并且，字符串中的宏并不会被检测为宏。比如：

#include<iostream>
using namespace std;#define MAX(x, y) x > y
#define M 10int main() 
{int a = 3;const char* a = "dsfsM";return 0;
}

这里字符串中的M就不会被检测为宏，不会被替换掉。

宏相对于函数的特点

相比于函数，宏的特点有这些：1、首先宏不能调试

2、宏不能进行递归

3、宏的速度很快，它是直接代码替换，而不是在运行时建立栈帧。

4、宏的参数没有类型，不会进行类型检查

5、宏展开会增加代码长度。

6宏的参数可以出现类型，但是函数做不到，例如：


#include<iostream>
using namespace std;
#include<stdlib.h>#define Malloc(n, type) (type*)malloc(n * sizeof(type))int main() 
{int* ptr = Malloc(1, int);return 0;
}

在这串代码中，宏Malloc将1和int这个类型传过去，但是函数一定做不到。

#和##

#

#运算符将宏的一个参数，直接转化为字符串字面值。它仅允许出现在待参数的宏的替换列表之中。

#运算符所执行的操作符可以理解为”字符串化“。

意思就是说我们可以这样定义一个宏：


#include<iostream>
using namespace std;
#include<stdlib.h>#define Print(a, format) printf("the value of " #a " is "format, a); int main() 
{int a = 10;Print(a, "%d");return 0;
}

在这个宏中， #a预处理阶段会被转化为“a", #的作用就是这样，将一个宏参数转变为字符串字面量形式。

##

##可以把位于两边的符号变成一个符号。但是这样的链接必须是合法的标识符，否则结果就是未定义的。

如图，如果我们想要求处某个类型的最大值，但是int类型和float的类型都要定义一个求取最大值函数。这样就很麻烦，这个时候如果我们定义这样的一个宏，就可以解决问题。

#define GEN_MAX(type)    \type type##_max(type x, type y)\{   \return x > y ? x : y ;\}

这个宏其实就可以生成一个函数。而且type##_max中##将两边的链接，其实就相当于是type_max。

假如我这里这样传参：

红色箭头就相当于生成了两个函数。

这里我们使用这两个函数：

这其实就像模板一样。

命名约定

一般我们宏都是定义为全大写，不是宏不会定义为全大写。但这些也不是一定的。比如offsetof。

（offsetof 的作用是结构体成员相较于结构体其实位置的偏移量。）

undef

undef的功能就是取消undef对应行之后的宏定义。

命令行定义

某些c语言编译器，允许在命令行进行定义符号。当我们要使用一个代码的不同版本的时候，就可能用到这个命令行定义。一些机器中大一些，就可以开大一点的数组。一些机器种小一些，就可以开小一点的数组。

条件编译

条件编译，最重要的就是这几个命令：1、#if #endif

比如： #define ……

#if

#endif

2、多分支:

#if

#elif

#elif

#endif

3、判断是否被定义

#if defined

或者

#ifdef

或者

if !defined

或者

ifndef

条件编译就是满足条件就进行编译，如果不满足条件，就不要进行编译。

比如if和endif的使用

#if 0#define MAX 10int main()
{printf("%d", MAX);#undef MAXprintf("%d", MAX);return 0;
}#endif

这里面这一串代码在预处理阶段就会被销毁，相当于被注释掉了。

#if 1#define MAX 10int main()
{printf("%d", MAX);#undef MAXprintf("%d", MAX);return 0;
}#endif

如果改成1就又会变回来。

又或者if， elif， endif的使用

#define MAX 0int main()
{#if MAX == 0printf("%d", MAX);#elif MAX != 0printf("%d", MAX);return 0;
}#endif

根据MAX的值，就会选择编译第一个打印还是第二个打印。

头文件包含

头文件的包含有两种形式。一种是双引号“”的形式进行头文件包含。一种是<>的形式进行头文件包含。

双引号的头文件包含形式，是先从原文件目录处寻找，如果未找到头文件，那么编译器就像查找库函数头文件一样在标准位置查找头文件。如果再找不到，那么就会报错。

标准头文件的路径，再linux环境下， linux标准库的头文件是在/user/include/的路径底下。

vs2022环境的标准头文件路径是略杂乱的。一般它是在windowssdk路径之下，这里放的一般是贴近操作系统相关的头文件。还有一些和c语言语法比较贴近的头文件，放在了vs2022的路径底下。

库文件直接去标准路径底下去查找，如果找不到，直接报错。

为什么不让库文件也用“”包含呢？因为库文件是放在标准库里面的，虽然库文件也可以使用“”进行包含，但是这样效率就会变低，而且这样不容易区分本地文件和库文件了。

如何防止头文件被多次包含：

当一个项目中文件数过多，可能出现头文件重复包含的情况。如何处理这种情况呢？有两种方法。

一种就是#pragma once。其实这就是vs之中当我们创建一个头文件时自己加在第一行的一个函数。

另一种就是使用刚刚讲过的条件编译。

如图：

#ifndef __TEST_H__#define __TEST_H__//……代码#endif

意思就是如过没有定义__TEST_H__, 那么第一行之后的代码就参与编译。那么第一次我们包含头文件的时候就没有包含__TEST_H__。这个时候他就会参与编译。然后__TEST_H__被定义。那么下一次我们再进行这个头文件的包含的时候，因为__TEST_H__已经被编译过了。那么第一行代码就为假，第一行以后的代码就不会被编译。所以就实现了头文件只包含一次的情况。

以上，就是预处理指令的全部内容