C/C++宏的奇技淫巧

http://www.cppblog.com/misakamm/archive/2012/01/16/164258.html

来源：http://blog.misakamm.org/p/209

宏的主要作用就是简化代码编写，简化一些需要重复编码的地方，以得到看起来更优雅的代码。但宏要用得好并不容易，用的不好很容易引发灾难性的后果。本文会介绍宏比较偏门但又很实用的技巧。
首先就是最常用的技巧（http://blog.misakamm.org/p/209）：
#define MACROCAT( x, y ) MACROCAT1 ( x, y )
#define MACROCAT1( x, y ) x##y
#define TOSTRING( s ) #s
MACROCAT把x和y展开后连結，而TOSTRING把s转化为字符串，比如可以printf(TOSTRING(%s), TOSTRING(abcdefg));
然后，因为宏不能递归，但可以做递归模拟，我们可以这样玩。比如要生成n位的二进制数并且从小到大构成的字符串（用到前面的宏）：

#define BIN_0(arg) TOSTRING ( arg )
#define BIN_1(arg) BIN_0(MACROCAT(arg, 0)) "," BIN_0(MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_2(arg) BIN_1(MACROCAT(arg, 0)) "," BIN_1(MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_3(arg) BIN_2(MACROCAT(arg, 0)) "," BIN_2(MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_4(arg) BIN_3(MACROCAT(arg, 0)) "," BIN_3(MACROCAT(arg, 1))
int main()
{
puts(BIN_4());
return 0;
}

这里要注意的是，比如BIN_2()，实际上展开的结果是

"0" "0" "," "0" "1" "," "1" "0" "," "1" "1"

不过c/c++规定这样连写的字符串，编译时就会合并成一个，于是就能用puts直接完整输出结果了
如果你想得到更多的位，很简单，只要你不介意，上面的宏复制并改改数字就可以了
不过，这样一改要改若干个数字，比较麻烦，能不能让它工作得更好？比如只要改宏名？
这个时候，就要用更富有技巧性的一招了：让每个宏多一个参数n，然后前面的BIN_x使用MACROCAT把它与数字连结起来，不就可以了么？
想法不错，不过问题是宏本身没有做减法的能力，能做的仅仅是替换。减1应该怎么实现呢？
其实不难，见以下定义：
#define DECVAL_1 0
#define DECVAL_2 1
#define DECVAL_3 2
#define DECVAL_4 3
#define DECVAL_5 4
#define DECVAL_6 5
#define DECVAL_7 6
#define DECVAL_8 7
#define DECVAL_9 8
#define DECVAL( n ) DECVAL_##n
好了，有了这个利器，我们就可以对原宏改造了，先拿0号和1号宏开刀：

#define BIN_0(n, arg) TOSTRING ( arg )
#define BIN_1(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0)) \
"," MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))

看得懂替换了一些什么吗？这样，后面的2,3,4,5号，只要复制一下1号的定义，改一改宏名就解决问题了
思考题：
这里生成的二进制结果是带前导0的，如何改写能使生成的结果不带前导0？
source: http://blog.misakamm.org/p/209

使用此法可以“递归”式生成很多类似代码，同时这个技巧也非常的实用，但递归构造并不容易，需要编写的人仔细想清楚，否则很容易出错，特别要注意宏展开的时机，一般不直接使用MACROCAT1宏，因为那个很可能不是你想要的结果
之后，到C99标准出台后（也就是说，下文内容与bc3/tc/vc6不兼容），宏里面多了一个狠角色：可变参数个数宏
比如可以 #define PRINTF(...) fprintf(stdout, __VA_ARGS__)
其中__VA_ARGS__代表了‘...’部分的全部参数，这样可以轻松的重定义库函数里不定参数的函数的输出行为，比如printf重定向到文件（虽然也可以用freopen实现，但只想说明宏也可以这样搞）
好了，下文将区分编译器来介绍，一共分为两派，vc派和gcc派（包括clang/objc），因为两者对以下代码的处理并不一致，需要使用略为不同的宏来实现，目前我也只遇到这两派。
现在的目的是这样，因为__VA_ARGS__包含了若干参数，我怎么才能知道里面参数有多少个呢？
比如写一个宏NUM_PARAMS()，里面写NUM_PARAMS(abc,a,d,e)的话，替换后得到的结果要是4，能办到吗？
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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首先先介绍gcc派的解决方案：

#define PP_NARG(...) PP_NARG_(__VA_ARGS__, PP_RSEQ_N())
#define PP_NARG_(...) PP_ARG_N(__VA_ARGS__)
#define PP_ARG_N( \
_1, _2, _3, _4, _5, _6, _7, _8, _9,_10, \
_11,_12,_13,_14,_15,_16, N, ...) N
#define PP_RSEQ_N() \
16,15,14,13,12,11,10, \
9,8,7,6,5,4,3,2,1,0

非常漂亮巧妙又简洁的方案，我想不用我多解释了吧？
不过，请注意，这是gcc的方案，以上代码放在vc8/vc9/vc2010等都会得不到正确的结果的，这个和vc的宏处理方式有关
接下来就是给出vc的解决方案（以下均以vc2008和vc2010为准）

#define BRACKET_L() (
#define BRACKET_R() )
#define PP_NARG(...) \
PP_NARG_ ( __VA_ARGS__, PP_RSEQ_N() )
#define PP_NARG_(...) \
PP_ARG_N BRACKET_L() __VA_ARGS__ BRACKET_R()
#define PP_ARG_N( \
_1, _2, _3, _4, _5, _6, _7, _8, _9,_10, \
_11,_12,_13,_14,_15,_16, N,...) N
#define PP_RSEQ_N() \
16,15,14,13,12,11,10, \
9,8,7,6,5,4,3,2,1,0

这里很特别的一点是对部分小括号做了替换。
问题在于PP_NARG_到PP_ARG_N做参数传递的时候，如果已有显式的括号，那么不对里面的宏做展开计算参数个数，仅直接按显式的逗号个数判断出参数个数，从而导致__VA_ARGS__被当成一个参数传入。而把括号用宏替换掉后，则不出现直接的括号，就先对宏做展开，而展开后，再展开新构造出来的宏，这样才能让参数匹配上。
不过gcc里面不能这么干，gcc会把宏名展开出来后，如果发现后面的符号并不是显式的括号，则把前面的宏符号化，不再展开。这两种不同的特性让我现在还不知道怎么编写宏能让两派都能兼容，正确展开出我想要的东西。
解释了两个编译器的不同点以后，后面不再解释相同的问题，而会同时给出两份代码。
另一个类似的问题，就是既然有不定个数的参数，如果我希望对每个参数都做一些处理，那如何做呢？
举例，实现一个宏#define SPREAD(...)，要把参数里的东西连结成一个字符串
之前的例子里，已经实现了把不定参数展开的手段，现在我们来尝试递归下降式展开（gcc版本）：
#define SPREAD0( arg ) #arg
#define SPREAD1(arg, ...) SPREAD0(arg)
#define SPREAD2(arg, ...) SPREAD0(arg) SPREAD1(__VA_ARGS__,)
#define SPREAD3(arg, ...) SPREAD0(arg) SPREAD2(__VA_ARGS__,)
#define SPREAD4(arg, ...) SPREAD0(arg) SPREAD3(__VA_ARGS__,)
#define SPREAD5(arg, ...) SPREAD0(arg) SPREAD4(__VA_ARGS__,)
#define SPREAD6(arg, ...) SPREAD0(arg) SPREAD5(__VA_ARGS__,)
#define SPREAD7(arg, ...) SPREAD0(arg) SPREAD6(__VA_ARGS__,)
#define SPREAD8(arg, ...) SPREAD0(arg) SPREAD7(__VA_ARGS__,)
#define SPREAD9(arg, ...) SPREAD0(arg) SPREAD8(__VA_ARGS__,)
#define SPREAD(...) SPREAD9(__VA_ARGS__)
在这里，每进入一层，就从__VA_ARGS__拆解一个最前面的参数出来，把剩下的参数给下一层
这里有一个细节是__VA_ARGS__后面有一个逗号，意思就是补一个空参数，避免后面参数不足
然后就可以用puts(SPREAD(1, 2, 3, 4));来测试了
当然，还要使用前文的方式处理一下（gcc版）：
#define SPREAD0( arg ) #arg
#define SPREAD1(n, arg, ...) SPREAD0(arg)
#define SPREAD2(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), __VA_ARGS__, )
#define SPREAD3(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), __VA_ARGS__, )
#define SPREAD4(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), __VA_ARGS__, )
#define SPREAD5(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), __VA_ARGS__, )
#define SPREAD6(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), __VA_ARGS__, )
#define SPREAD7(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), __VA_ARGS__, )
#define SPREAD8(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), __VA_ARGS__, )
#define SPREAD9(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), __VA_ARGS__, )
#define SPREAD(...) SPREAD9 ( 9, __VA_ARGS__ )
vc版：
#pragma warning(disable:4003) // 去除警告
#define SPREAD0( arg ) #arg
#define SPREAD1(n, arg, ...) SPREAD0(arg)
#define SPREAD2(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), __VA_ARGS__, BRACKET_R()
#define SPREAD3(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), __VA_ARGS__, BRACKET_R()
#define SPREAD4(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), __VA_ARGS__, BRACKET_R()
#define SPREAD5(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), __VA_ARGS__, BRACKET_R()
#define SPREAD6(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), __VA_ARGS__, BRACKET_R()
#define SPREAD7(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), __VA_ARGS__, BRACKET_R()
#define SPREAD8(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), __VA_ARGS__, BRACKET_R()
#define SPREAD9(n, arg, ...) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), __VA_ARGS__, BRACKET_R()
#define SPREAD(...) SPREAD9 BRACKET_L() 9, __VA_ARGS__, BRACKET_R()
以上只是模糊方式展开，因为参数个数不知道，后面会遇到宏参数为空的情况，于是vc编译器给出了警告
如果把之前说的过技巧，就是分析出不定参数个数的宏，与这个结合，将产生更大的威力，我们可以实现精确展开，就是在SPREAD宏的定义里，有9的地方使用宏PP_NARG(__VA_ARGS__)替换一下，于是__VA_ARGS__后面的逗号可以去掉，也可以简化一些代码了，也能避免展开后有你所不希望的多余字符出现。
测试考题1：
定义一宏#define printf，让它能把printf(str, a, b, c);替换成std::cout< 参数个数不确定，不用考虑str的内容，但假设不多于10个参数
http://blog.misakamm.org/p/209
宏的威力还不止至此，当宏与C++模板编程结合的时候，真正的可怕就来临了。。。
测试考题2：
在C++0x之前，模板还没有不定参数，于是需要多个参数的时候，不得不手工解决，或者聪明的人，使用模板来生成多参模板代码。尝试一下这么做，看看和之前的问题难度加大在哪里。比如生成一个名为sum的模板函数，能接受1 - 10个参数，返回这些参数的相加的结果
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
文章附带：
第一考题参考答案：

#define BINARY_E0(n, arg) TOSTRING ( arg )
#define BINARY_E1(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )\
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) )
#define BINARY_E2(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )\
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) )
#define BINARY_E3(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )\
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) )
#define BINARY_E4(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )\
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) )
#define BINARY_E5(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )\
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) )
#define BINARY_E6(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )\
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) )
#define BINARY_E7(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )\
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) )
#define BINARY_E8(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )\
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) )
#define BINARY_ENUM(n) MACROCAT(BINARY_E, n) ( n, )
#define BIN_0(n, arg) TOSTRING ( arg )
#define BIN_1(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg) \
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_2(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg) \
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_3(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg) \
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_4(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg) \
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_5(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg) \
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_6(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg) \
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_7(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg) \
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_8(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg) \
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))
#define BIN_ENUM(n) "0" MACROCAT(BIN_, n) ( n, )
测试代码：puts(BIN_ENUM(8));
测试考题不提供答案。