【C进阶】详解预处理指令

预定义符号

__FILE__ //进行编译的源文件
__LINE__ //文件当前的行号
__DATE__ //文件被编译的日期
__TIME__ //文件被编译的时间
__STDC__ //如果编译器遵循ANSI C，其值为1，否则未定义

MSVC编译器不是完全遵循ANSIC标准

gcc编译器严格遵循ANSIC标准

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#define

#define定义标识符

语法:#define name stuff

#define MAX 1000
#define reg register          //为 register这个关键字，创建一个简短的名字
#define do_forever for(;;)     //用更形象的符号来替换一种实现
#define CASE break;case        //在写case语句的时候自动把 break写上。
// 如果定义的 stuff过长，可以分成几行写，除了最后一行外，每行的后面都加一个反斜杠(续行符)。
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \
                          date:%s\ttime:%s\n" ,\
                          __FILE__,__LINE__ ,       \
                          __DATE__,__TIME__ )  

注意：转义字符是让计算机识别的，计算机看见\Enter不会认为这是分开的两行，因此不存在语法问题

在#define定义标识符时，不要加上;否则可能出问题，看下面这个例子

#define定义宏

#define 机制包括了一个规定，允许把参数替换到文本中，这种实现通常称为宏（macro）或定义宏（define macro）。

定义宏的语法：#define macro_name(pramaent-list) stuff
pramament-list是一个由逗号隔开的参数列表，它们可能出现在stuff中
tips:参数列表和宏名字中间必须紧邻，不能有任何空白，否则宏会被解释为表示符

由于宏是先替换在进行运算，所以定义宏时stuff的每一部分最好用()括起来,防止因为优先级而产生问题请看下面示例

将上述num+num改成((num) + (num))，num * num 改成((num) * (num))即可

#define替换规则

在程序中扩展#define定义符号和宏时，需要涉及几个步骤。

1. 在调用宏时，首先对参数进行检查，看看是否包含任何由#define定义的符号。如果是，它们首先被替换。
2. 替换文本随后被插入到程序中原来文本的位置。对于宏，参数名被他们的值所替换。
3. 最后，再次对结果文件进行扫描，看看它是否包含任何由#define定义的符号。如果是，就重复上述处理过程

#和##

C语言的字符串具有自动连接的特点

所以我们可以利用这个特点来实现一些特定的功能，比如将宏的参数插入到字符串中

总结：#操作符可以在宏中将宏参数转换为字符串

##操作符可以在宏体中完成拼接操作(拼接后的字符一定要是被定义过的)

将Class和C拼接在一起ClassC，ClassC是已经被定义过的标识符

注意：使用##拼接后的结果一定要是已定义的

带副作用的宏参数

当宏参数在宏的定义中出现超过一次的时候，如果参数带有副作用，那么你在使用这个宏的时候就可能
出现危险，导致不可预测的后果。副作用就是表达式求值的时候出现的永久性效果。

x+1;//不带副作用
x++;//带有副作用

MAX宏可以证明具有副作用的参数所引起的问题。

我们只看这个代码会认为x和y分别++了一次，但是由于这是宏，所以x和y其中有一个++了两次，所以这会导致意外的结果

tips:宏的命名往往是全字母大写，这是为了方便区分宏和函数

宏和函数对比

宏和函数的用法是一样的，都是名字紧跟参数列表，我们下面来看看它们的区别
用宏和函数实现求最大值

可以看见，两者都可以完成求最大值的功能，但是在这串代码中使用宏比函数要合适，原因有下：

1. 宏是直接替换的，不需要开辟额外的空间，而函数调用需要开辟栈帧
2. 宏比函数执行速度要快，函数调用时需要为形参压栈、为函数体开辟栈帧、执行函数体、销毁栈帧，执行速度小于宏
3. 函数的定义必须要指名参数类型，而宏不用，所以宏和以比所有类型的数据大小，而函数不行

那是不是所有情况下都应该用宏而不是函数呢？

答案是否定的，宏的缺点有如下几点：

1. 每次使用宏时，宏的代码会插入到当前代码块中，除非宏的代码块很短，否则会增加代码的长度
2. 使用宏是不会做类型检查，这有可能是不安全的
3. 使用宏可能存在优先级的问题
4. 宏没有办法调试的

宏和函数对比

#undef

这条指令用于移除一个宏定义

#undef NAME
//如果存在一个名字需要重新被定义，那么它应该先移除之前的定义

这是没有移除之前的定义

这是移除之前的定义

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命令行定义

许多C 的编译器提供了一种能力，允许在命令行中定义符号。用于启动编译过程。
例如：当我们根据同一个源文件要编译出一个程序的不同版本的时候，这个特性有点用处。（假定某个程序中声明了一个某个长度的数组，如果机器内存有限，我们需要一个很小的数组，但是另外一个机器内存大些，我们需要一个数组能够大些。）

下面演示Linux环境下的命令行编译

命令行gcc -D ARRAY_SIZE=10 test.c表示在test.c文件中将ARRAY_SIZE定义为10

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条件编译

在编译一个程序时，如果我们可以选择某条语句或某组语句进行翻译或者被忽略，常常会显得很方便。只用于调试程序的语句就是一个明显的例子。它们不应该出现在程序的产品版本中，但是你可能并不想把这些语句从源代码中物理删除，因为如果需要一些维护性修改时，你可能需要重新调试这个程序，还需要这些语句。

条件编译(conditionalcompilation)就是用于实现这个目的。使用条件编译，你可以选择代码的-部分是被正常编译还是完全忽略。用于支持条件编译的基本结构是#if指令和与其匹配的#endif指令。下面显示了它最简单的语法形式。

#if constant-expression
	statements
#endif

constant-expression(常量表达式)由预处理器进行求值，如果它的值是非0，an那么statements会被编译，如果它的值是0，那么statements不会被编译

条件编译都是预处理指令，是在程序运行前进行的操作，如果此时出现了预处理时无法得知的数据(比如变量)，那么程序会报错

注意：枚举常量和全局变量都是预处理之后、运行之前才知道的值

常见的条件编译指令

1.
#if 常量表达式
 //...
#endif
//常量表达式由预处理器求值。
如：
#define __DEBUG__ 1
#if __DEBUG__
 //..
#endif
2.多个分支的条件编译
#if 常量表达式
 //...
#elif 常量表达式
 //...
#else
 //...
#endif
3.判断是否被定义
#if defined(symbol)
#ifdef symbol
#if !defined(symbol)
#ifndef symbol
4.嵌套指令
#if defined(OS_UNIX)
 #ifdef OPTION1
 unix_version_option1();
 #endif
 #ifdef OPTION2
 unix_version_option2();
 #endif
#elif defined(OS_MSDOS)
 #ifdef OPTION2
 msdos_version_option2();
 #endif

注意：每一条#if语句一定要有对应的#endif

演示预处理指令#if #elif #else

演示嵌套指令

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文件包含

我们已经知道， #include 指令可以使另外一个文件被编译。就像它实际出现于 #include 指令的地方一样
这种替换的方式很简单：
预处理器先删除这条指令，并用包含文件的内容替换。
这样一个源文件被包含10次，那就实际被编译10次。

头文件被包含的方式

• 本地文件包含

#include "filename"

查找策略：先在源文件目录底下找，如果该头文件未找到，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(标准位置是由编译器所决定的)如果找不到就会显示编译错误。

• 库文件包含

#include 

查找策略：只在标准位置查找该文件，找不到就会显示编译错误.

所以理论上来说使用本地文件包含既可以引入自定义文件，又可以引入包含库函数的头文件，只是在引入库函数头文件时速度会慢一点

嵌套文件包含

在编写多文件时可能会出现重复包含一个文件的情况，虽说这样的问题不是很大，但我们还是需要尽量避免嵌套文件包含

comm.h和comm.c是公共模块。
test1.h和test1.c使用了公共模块。
test2.h和test2.c使用了公共模块。
test.h和test.c使用了test1模块和test2模块。

演示重复包含头文件

我们需要条件编译来避免这个问题
头文件中加上这句话

#ifndef __TEST_H__
#defince __TEST_H__
//头文件内容
...
#endif //__TEST_H__

演示结果

也可以使用预处理指令#pragma once避免头文件的重复引用
演示结果

可以看见预处理指令和条件编译的结果是一样的

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其他预处理指令

1. #error text of error message用于编译时生成错误信息
   
2. #line number "string""string"部分是可选的，将#line这一行的行数更改为number,该源文件名称更改为string
   没有使用#line指令

使用#line指令
   

这条指令最常用于把其他语言的代码转换为 C代码的程序。C 编译器产生的错误信息可以引用源文件而不是翻译程序产生的 C 中间源文件的文件名和行号。

3. #pragma
   #progma 指令是另一种机制，用于支持因编译器而异的特性。它的语法也是因编译器而异。有些环境可能提供一些#pragma 指令，允许一些编译选项或其他任何方式无法实现的一些处理方式。例如，有些编译器使用#pragma 指令在编译过程中打开或关闭清单显示，或者把汇编代码插入到C程序中。从本质上说，#pragma 是不可移植的。预处理器将忽略它不认识的#pragma 指令，两个不同的编译器可能以两种不同的方式解释同一条#pragma 指令。

总结

• 程序编译时第一步就是预处理，预处理器支持5个预处理符号
• #define指令将一个符号和任意的字符序列联系在一起，这个字符序列可以是字面量、也可以是一段程序，如果字符序列太长需换行，则需要在除开最一行的每一行加上\
• 宏就是一个被定义的序列，它的参数将被替换。当一个宏被调用时，它的每个参数都会被具体的值替换，宏完整表达式的两边应该加上{}
• #argument会被预处理器看作"argument"，argumen1t##argument2会被预处理器会将argument1和argument2粘贴为一个文本
• 宏的命名习惯是全字母大写
• 宏与函数相比不会做类型检查，运行速度比函数快，带副作用的宏参数可能会产生意料之外的结果
• 可以使用#undef name来取消对name的定义
• 使用条件编译可以从单一的源文件创建不同程序的版本
• #include指令可以实现头文件的包含。如果文件名位于尖括号之中，那么只会在编译器定义的标准路径下查找；如果文件名位于双引号之中，那么编译器优先到当前文件路径下查找，如果没找到再去标准路径下查找
• 编写头文件时，记得加上防止重复包含的预处理指令#pragma once或者条件编译指令
• #error在编译时产生一条错误信息，错误信息是#error后面的文本，#line告诉编译器当前行号，如果加上可选分"string"会告诉编译器源文件名字。#pragma允许编译器提供不标准的处理过程