C语言的预处理和条件编译指令

C语言的预处理和条件编译指令

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预处理简介

  • C语言由源代码生成的各阶段如下:

C源程序->编译预处理->编译->优化程序->汇编程序->链接程序->可执行文件

其中 编译预处理阶段,读取c源程序,对其中的伪指令(以#开头的指令)和特殊符号进行处理。或者说是扫描源代码,对其进行初步的转换,产生新的源代码提供给编译器。预处理过程先于编译器对源代码进行处理。

​ 在C 语言中,并没有任何内在的机制来完成如下一些功能:在编译时包含其他源文件、定义宏、根据条件决定编译时是否包含某些代码。要完成这些工作,就需要使用预处理程序。尽管在目前绝大多数编译器都包含了预处理程序,但通常认为它们是独立于编译器的。预处理过程读入源代码,检查包含预处理指令的语句和宏定义,并 对源代码进行响应的转换。预处理过程还会删除程序中的注释和多余的空白字符。

  • 伪指令(或预处理指令)定义:

​ 预处理指令是以#号开头的代码行。#号必须是该行除了任何空白字符外的第一个字符。#后是指令关键字,在关键字和#号之间允许存在任意个数的空白字符。整行语句构成了一条预处理指令,该指令将在编译器进行编译之前对源代码做某些转换。下面是部分预处理指令:

指令 用途

#           空指令,无任何效果
#include    包含一个源代码文件
#define     定义宏
#undef      取消已定义的宏
#if         如果给定条件为真,则编译下面代码
#ifdef      如果宏已经定义,则编译下面代码
#ifndef     如果宏没有定义,则编译下面代码
#elif       如果前面的#if给定条件不为真,当前条件为真,则编译下面代码,其实就是else if的简写
#endif      结束一个#if……#else条件编译块
#error      停止编译并显示错误信息

预处理指令

预处理指令主要包括以下四个方面:

  • 宏定义指令。前面博客已经介绍–《C语言的宏之明示常量 》,《C语言的宏之带参数宏 》
  • 条件编译指令。
  • 头文件包含指令。前面博客已经介绍–《C语言的头文件详解 》
  • 特殊符号(即预定义宏)。

条件编译指令

程序员可以通过定义不同的宏来决定编译程序对哪些代码进行处理。条件编译指令将决定那些代码被编译,而哪些是不被编译的。可以根据表达式的值或者某个特定的宏是否被定义来确定编译条件。下面介绍常用的条件编译指令。

  • #ifdef、#else#endif 指令

    示例:

    #ifdef MAVIS
         #include "horse.h" //如果已经用#define定义了MAVIS,则执行下面的指令
    	 #define STABLES 5
    #else
    	#include "cow.h"    //如果没有用#define定义MAVIS,则执行下面的指令
        #define STABLES 15
    #endif
    

    上面的缩进格式只有侥幸的编译器和ANSI标准才支持,太旧的编译器,必须左对齐所有的指令或至少左对齐#号。

    #ifdef指令说明,如果预处理器已经定义了后面的标识符(MAVIS),则则行#else#endif指令之前所有指令并编译所有C代码。如果预处理器未定义MAVIS,且有#else指令,则执行#else#endif指令之间的所有代码。

  • **#ifndef指令 **

    #ifndef指令与ifdef指令用法类似,也可以和#else、#endif一起使用,但是他们的逻辑相反。#ifndef指令判断后面的标识符是否未定义,常用于定义之前未定义的常量。通常,包含多个头文件时,其中的头文件可能包含了相同的宏定义,**#ifndef指令可以防止相同的宏被重复定义。**在首次定义一个宏的头文件中用#ifndef指令激活定义,随后的其他头文件中的定义都被忽略。如下示例:

    /*arrays.h*/
    #ifndef SIZE 100
            #define SIZE 100
    #endif
    

    **#ifndef指令还有另一种用法。**假设有上面的arrays.h头文件,然后把下面一行代码放入一个头文件中:

    #include "arrays.h"

    SIZE被定义为100。但是如果把下面的代码放入该头文件:

    #define SIZE 10
    #include "arrays.h"
    

    因为Size已经被设置为10,因此会调过arrays.h中的#define SIZE 100这行diamante,防止重复宏定义。**#ifndef指令通常用于防止多次包含一个文件。**因此应该像下面这样设置头文件:

    /*things.h*/
    #ifndef THING_H_
    	#define THINGS_H_
        /*省略了头文件中其他内容*/
    #endif
    

    假设该文件被包含了多次,当预处理器首次发现该文件被包含时,THINGS_H_是未定义的,所以定义了THINGS_H_,并接着处理该文件的其他部分。当预处理器第二次发现该文件被包含时,THINGS_H_是已定义的,所哟预处理器调过了该文件的其他部分。

    如何确保待测试表示符没有在别处定义?实现的供应商这样做:用文件名作为标识符、使用大写字符、下划线代替文件名中的点字符、用下划线字符做前缀或后缀。例如stdio.h头文件,有许多类似的代码:

    #ifndef _STDIO_H
    #define _STDIO_H
    //省略了文件的内容
    #endif
    

    我们也可以这样做,但是由于标准中使用了下划线作为前缀,因此,我们自己的代码汇总不要这样写,避免与标准头文件中的宏发生冲突。应该像下面是一个示例那样写:

    // names.h --避免重复包含的头文件写法
    
    #ifndef NAMES_H_
    #define NAMES_H_
    
    // constants
    #define SLEN 32
    
    // structure declarations
    struct names_st
    {
        char first[SLEN];
        char last[SLEN];
    };
    
    // typedefs
    typedef struct names_st names;
    
    // function prototypes
    void get_names(names *);
    void show_names(const names *);
    char * s_gets(char * st, int n);
    
    #endif
    
  • **#if#elif**指令

    #if指令检测跟在制造另关键字后的常量表达式。如果表达式为真,则编译后面的代码,知道出现#else、#elif#endif为止;否则就不编译。#endif用于终止#if预处理指令。

    示例:

    #if SYS ==1
    	#include "ibmpc.h"
    #elif SYS ==2
    	#include "vax.h"
    #elif SYS ==3
    	#include "mac.h"
    #else
    	#include "general.h"
    #endif
    

    还有一种写法。define是一个预处理运算符,如果它的参数是用#define定义过,则返回1;否则返回0。这样它可以与#elif一起使用。因此上面的代码还可以写成下面的形式:

    #if define (IBMPC)
    	#include "ibmpc.h"
    #elif define (VAX)
    	#include "vax.h"
    #elif define (MAC)
    	#include "mac.h"
    #else
    	#include "general.h"
    #endif
    

    如果在VAX机上运行着几行代码,那么应该在文件前面用下面的代码定义VAX:

    #define VAX

条件还有一个好处是让程序更容易移植,改变文件开头的几个关键定义,即可根据不同的系统设置不同的值和包含不同的文件。

预定义宏

预编译程序可以识别一些特殊的符号。预编译程序对于在源程序中出现的这些串将用合适的值进行替换。C标准规定了一些预定义宏,如下表所示:

表1 预定义宏

含义
__DATE__ 预处理的日期("Mmm dd yyyy"形式的字符串字面量,如Nov 23 2013)
__FILE__ 表示当前源代码文件名的字符串字面量
__LINE__ 表示当前源代码文件中行号的整型常量
__STDC__ 设置为1时,表明实现遵循C标准
STDC_HOSTED 本机环境设置为1;否则设置为0
__STDC_VERSION__ 支持C99标准,设置为199901L;支持C11设置为201112L
__TIME__ 翻译代码的时间,格式为"hh:mm:ss"

其中一些预定义宏时C99新增的,如果使用GCC编译器,必须设置-std=c99或-std=c11。

示例:

// predef.c -- predefined identifiers
#include 
void why_me();

int main()
{
    printf("The file is %s.\n", __FILE__);
    printf("The date is %s.\n", __DATE__);
    printf("The time is %s.\n", __TIME__);
    printf("The version is %ld.\n", __STDC_VERSION__);
    printf("This is line %d.\n", __LINE__);
    printf("This function is %s\n", __func__);
    why_me();
    
    return 0;
}

void why_me()
{
    printf("This function is %s\n", __func__);
    printf("This is line %d.\n", __LINE__);
}

该程序的输出如下:

The file is predef.c.
The date is Jun 14 2017.
The time is 14:06:55.
The version is 199901.
This is line 11.
This function is main
This function is why_me
This is line 21.

#line和#error指令

#line指令重置__LINE____FILE__宏报告的行号和文件名。可以这样使用#line:

#line 1000    //把当前行号重置为1000
#line 10 "cool.c"  //把行号重置为10,把文件名重置为cool.c

#error指令让预处理器发出一条错误信息,该信息包含指令中的文本。如果可能的话,编译过程应该中断。可以这样使用#error指令:

#if __STDC_VERSION_!=201112L
#error Not C11

#endif

编译以上代码后,输出如下:

$ gcc newish.c
newish.c:14:2: error: #error Not C11
$ gcc -std=c11 newish.c
$

如果编译器支持旧版标准,则会编译失败,如果支持C11标准,就能成功编译。


参考资料:

[1] 史蒂芬・普拉达. C Primer Plus (第6版) 中文版[M]. 人民邮电出版社, 2016.

[2] C语言条件编译及编译预处理阶段.–来源

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