C++宏的使用(二)

基础部分

 

1. __VA_ARGS__: 用来替换任意参数部分, 相当于c语言中的va_list;

例:

#define OUT(...)    printf(__VA_ARGS__)

2. 宏从内向外展开(例外情况见4)

原因是, 当一个红的参数也是宏的时候, 它会尝试先展开它的参数;

例:

max(max(1, 3), 2) => max(3, 2) => 3

3. #和##. 前者用来将一个文本转化为语言内字符串, 后者用来连接两个文本

例:

#define TO_STRING(s)   #s

#define CAT(a, b)          a#b

TO_STRING(a)                => "a"

int CAT(a, b);                 => int ab;

4. 当一个宏对它的某个参数进行#或者##时, 这个参数使用点并不被替换为展开后的文本(这里的展开意思是, 将参数中的其他宏展开). 这句话隐含的意思是, 如果这个参数会多次使用, 只要不是#或者##, 都会被替换为展开后文本;

例:

#define TEST(a)           a; a + 1; a##a; #a

#define MAX(a, b)        ((a) > (b) ? (a) : (b))

TEST(MAX(1, 1))           => ((1) > (1) ? (1) : (1)); ((1) > (1) ? (1) : (1)) + 1; MAX(1, 1)MAX(1, 1); "MAX(1, 1)"

5. 对#和##做特殊处理; 由于一般宏在展开时, 它的参数都已经被展开, 而对参数应用了#和##的宏, 这里的参数中的宏却不展开, 所以有必要对它们进行特殊处理, 以符合一般的需要

工具:

#define TO_STRING(s)       TO_STRING_D(s)

#define TO_STRING_D(s)  #s

#define CONN(a, b)           CONN_D(a, b)

#define CONN_D(a, b)       a##b

原理: 利用一般宏会展开它参数的特性, TO_STRING和CONN先将参数完全展开, 然后再交给实际调用#和##的宏其中, TO_STRING非常有用, 除了服务一般编程外, 在使用宏的预处理期编程尤为重要, 是预处理期调试的重要打印手段

6. 带参数宏在无参数时被视为文本, 不展开

例:

#define MAX(a, b)                    ((a) > (b) ? (a) : (b))

TO_STRING(MAX(1, 2))             => ((1) > (2) ? (1) : (2))

TO_STRING(MAX(MAX, MAX))    => ((MAX) > (MAX) ? (MAX) : (MAX))

7. 宏不支持递归

运行时函数递归的方法是, 改变参数然后进行下步调用, 通过对不同参数的测试来判断是否到达终点应该停止递归.

元编程递归是通过特化、偏特化或者重载, 通过令终点历程不进行进一步调用的方式, 来终止递归.

表面上看, 由于宏并不支持结构控制(相对于函数递归的if和元编程的If模板), 所以宏不支持递归, 一旦预处理器发现一个宏在展开的过程中第二次出现, 则停止这个宏的展开.

关于这一点的更详细说明见后文.

 

预处理期编程

 

1. 数

 

宏没有实质上的变量, 宏的数据来源是用户编码; 而各种意义的常数中, 可用的只有宏和整形文字常量(用cout << TO_STRING(...); 来打印预处理期展开情况):

例:

#define INT_5                5

const int INT_7               = 7;

TO_STRING(INT_5)         => 5

TO_STRING(6)                => 6

TO_STRING(INT_7)         => INT_7

可见, 由于预处理期早于编译器, c++常量无效; 唯一的数据源只剩下宏和硬编码整数. 由于一个提供一定功能的宏只有一个文字数据源, 而又没有宏变量的说法, 所以, 要想在宏内部实现变量的效果, 就只有采用特殊手段:

#define INC_0   1

#define INC_1   2

#define INC_2   3

#define INC_3   4

#define DEC_0   0

#define DEC_1   0

#define DEC_2   1

#define DEC_3   2

TO_STRING(INC(INC(INC(0)))) => 3

TO_STRING(DEC(DEC(5)))      => 3

这样, 就实现了将文字数据源转化为范围受限整数的效果; 由于受宏嵌套深度和使用范围影响, 这些定义不需要太多, 一般不超过256左右就合适(宏自动生成的代码,比如模板类型参数, 32个以内就够用了)

2. BOOL值

由于BOOL值是非常有用的类型, 是结构控制中条件转移必须的元素, 所以这里需要一种手段将上述有限范围的整数转化为0和1

#define BOOL_0               0

#define BOOL_1               1

#define BOOL_2               1

#define BOOL_3               1

#define TO_BOOL(i)         CONN(BOOL_, i)

TO_STRING(TO_BOOL(3)) => 1

TO_STRING(TO_BOOL(0)) => 0

3. if-else

利用上面的BOOL值

 

#define IF_THEN_ELSE(condition, then, else)     CONN(CONDITION_, TO_BOOL(condition))(then, else)

#define CONDITION_1(a, b)                               a

#define CONDITION_0(a, b)                               b

4. for

由于宏不允许递归, 所以试图使for循环调用自身是不可能的, 这里将采用其他做法

调用FOR采用下面这种格式

 

FOR(数据集, 条件宏, 增量宏)

(1) 数据集是这样的格式(data1, data2, data3, ...), 含括号

(2) 条件宏, 接受两个参数-当前迭代轮数和数据集, 当条件宏判断为假, 表示不再迭代

(3) 增量宏, 增量宏同样接受迭代轮数和数据集, 它改变数据集后作为下次迭代的数据源

 

最终FOR返回的是一个数据集, 元素数和源数据相同, 用户提取其中相应的元素

#define GC_3(a, b, c)  

#define FOR1(data, toConntinue, inc) IF_THEN_ELSE(toConntinue(2, data), FOR2, data GC_3)(inc(2, data), toConntinue, inc)

#define FOR2(data, toConntinue, inc) IF_THEN_ELSE(toConntinue(3, data), FOR3, data GC_3)(inc(3, data), toConntinue, inc)

#define FOR3(data, toConntinue, inc) IF_THEN_ELSE(toConntinue(4, data), FOR4, data GC_3)(inc(4, data), toConntinue, inc)

其中传入的轮数是当前轮 + 1, 原因最后阐述. 这里暂时无法演示FOR的使用, 看下节

5. 加法

#define DIG(n)                                         n

#define TUPLE_SEL(sz, idx, tpl)               DIG(CONN(CONN(TUPLE_SEL_, sz), CONN(_, idx)) tpl)

#define TUPLE_SEL_2_0(p0, p1)             p0

TO_STRING(TUPLE_SEL(2, 0, (5, 10)))      => 5

TUPLE_SEL的作用是从数据集tpl中, 选出第idx个元素, sz表示数据集的尺寸

 

下面使用FOR来实现加法

#define ADD(x, y)                         TUPLE_SEL(2, 0, FOR1((x, y), ADD_NO_END_I,ADD_INC_I))

#define ADD_NO_END_I(i, xy)      TUPLE_SEL(2, 1, xy)

#define ADD_INC_I(i, xy)              ADD_INC(TUPLE_SEL(2, 0, xy), TUPLE_SEL(2,1, xy))

#define ADD_INC(x, y)                 (INC(x), DEC(y))

也就是说, 对于数据集(x, y), 每次将x加1, 并将y减1, 然后将结果传给下轮迭代, 当y减到0时, 从结果数据集(x + y, 0)中取出第一个元素就是加法的结果

 

6. 其他运算

减法和加法类似, 而乘法就是多次加法, 除法是多次减法

#define SUB(x, y)                       TUPLE_SEL(2, 0, FOR1((x, y), SUB_NO_END_I,SUB_INC_I))

#define SUB_N(x, y, n)               TUPLE_SEL(2, 0, CONN(FOR, n)((x, y),SUB_NO_END_I, SUB_INC_I))

#define SUB_NO_END_I             ADD_NO_END_I

#define SUB_INC_I(i, xy)            SUB_INC(TUPLE_SEL(2, 0, xy), TUPLE_SEL(2,1, xy))

#define SUB_INC(x, y)                (DEC(x), DEC(y))

#define MUL(x, y)                        TUPLE_SEL(3, 0, FOR1((0, x, y), MUL_NO_END_I, MUL_INC_I))

#define MUL_NO_END_I(i, sxy)   TUPLE_SEL(3, 2, sxy)

#define MUL_INC_I(i, sxy)           MUL_INC(i, TUPLE_SEL(3, 0, sxy), TUPLE_SEL(3, 1, sxy), TUPLE_SEL(3, 2, sxy))

#define MUL_INC(i, s, x, y)          (ADD_N(s, x, i), x, DEC(y))

#define DIV(x, y)                         TUPLE_SEL(3, 0, FOR1((0, x, y), DIV_NO_END_I, DIV_INC_I))

#define DIV_NO_END_I(i, cxy)    TUPLE_SEL(3, 1, cxy)

#define DIV_INC_I(i, cxy)            DIV_INC(i, TUPLE_SEL(3, 0, cxy), TUPLE_SEL(3, 1, cxy), TUPLE_SEL(3, 2, cxy))

#define DIV_INC(i, c, x, y)           (INC(c), SUB_N(x, y, i), y)

这里还有一些其他运算:

#define MOD(x, y)                       MOD_(SUB(MUL(y, DIV(x, y)), x), y)

#define MOD_(x, y)                     IF_THEN_ELSE(x, SUB(y, x), 0)

#define EQUAL(x, y)                     BITNOT(NOT_EQUAL(x, y))

#define NOT_EQUAL(x, y)            IF_THEN_ELSE(SUB(x, y), 1, SUB(y, x))

 

#define LESS(x, y)                       SUB(y, x)

#define GREATER(x, y)                SUB(x, y)

#define AND(x, y)                        BITAND(TO_BOOL(x), TO_BOOL(y))

#define OR(x, y)                          BITOR(TO_BOOL(x), TO_BOOL(y))

#define NOT(x)                            BITNOT(TO_BOOL(x))

#define BITAND(x, y)                  CONN(CONN(BITAND_, x), CONN(_, y))

#define BITOR(x, y)                    CONN(CONN(BITOR_, x), CONN(_, y))

#define BITXOR(x, y)                  CONN(CONN(BITXOR_, x), CONN(_, y))

#define BITNOT(x)                      CONN(BITNOT_, x)

7. 关于宏递归和嵌套循环

前面强调过, 宏不支持递归, 因为预处理器一发现出现过的宏就会停止展开. 那上面的乘法要怎么做? 乘法是用加法来实现的, 不可避免的就需要嵌套FOR; 一种做法是再准备另一份FOR2_0, FOR2_1..., 用于嵌套中第二曾, 结果就是FOR(; ; )FOR2(; ; ){}. 由于完全是两组宏, 自然也就避免了重复出现导致预处理器拒绝展开的问题.再讨论乘法的实现之前先看点其他的:

#define A(a)    B(a)

#define B(a)    A(a)C(a)

#define C(a)    a

TO_STRING(A(1))的结果? 是A(1)1. 因为预处理器在展开B时发现A已经出现过, 所以拒绝再展开

TO_STRING(CONN(0, CONN(CONN(1, 2), CONN(3, 4))))结果? 结果是01234, 完全展开了

这就需要追究所谓"出现过的宏", 精确定义; 其实上面两个例子已经在一定程度上演示了怎样的宏是出现过的宏. A(1)的例子中, 发生了一次根展开, 根由A变成了B: A(1) -> B(1). 假如B的展开中, 又出现A, 那么就会有递归的嫌疑, 所以B中的A调用将不会展开. 而CONN中, 完全没有根展开, 所以整个表达式肯定是用户编码, 没有递归可能, 因此预处理器进行了常规展开. 所以, "出现过的宏", 精确定义, 不是指编码重复, 而是指对于宏A, 在A所在的宏调用嵌套层中, 其父层次及本层次已经展开的宏中, 并没有包含A. 比如(为了比较和演示, 并不是预处理器实际展开顺序):

#define A(a)                                      A1(B(C(a), D(a)))

#define C(a)                                     C1(a)

#define D(a)                                     C1(a)

#define C1(a)                                   C(a)D(a)

A(#)                                                  => A展开成A1(...), 发生根替换, A不再可用

A1( B( C (#), D (#) ) )                        => C展开成C1, 对于本分支C1的展开, A和C不可用

A1( B( C1(#), D (#) ) )                       => D展开成C1, 对于本分支C1的展开, A和D不可用

A1( B( C1(#), C1(#) ) )                      => 把两个C1都展开, 左分支A, C, C1不可用, 右分支A, D, C1不可用

A1( B( C(#)D(#), C(#)D(#) ) )            => 左分支, 由于A和C不可用, 所以只有D展开, 进而A, C, C1, D都不可用

A1( B( C(#)C1(#), C(#)D(#) ) )          => 右分支的C展开, 进而A, D, C1, C都不可用

A1( B( C(#)C1(#), C1(#)D(#) ) )        => 左右分支都不可再展开, A1, B又未定义, 所以宏展开终点

TO_STRING(A(#))                               => A1(B(C(#)C1(#), C1(#)D(#)))

讲了这么多, 其实就是为了精确定义哪些宏进入了黑名单(这个黑链表应该是随着预处理器处理深度, 不停调整长度的).

 

再来说乘法的两层迭代实现方法:

对于MUL(x, y), 定义data => (s, x, y); 所以:

 

while (y != 0)

{

    s += x;

    --y;

}

 

由于宏运算只有++和--, 将上面换个写法:

 

for (s = 0; y != 0; --y)

{

    for (int i = 0; i < x; ++i)

    {

        ++s;

    }

}

 

最终: data => (xy, x, 0)

前面提到的矛盾就在于, 外层有个FOR, 而内层也有个FOR, 必须要使用某种手段, 令两层FOR并不冲突. 再来看FOR的迭代过程:

 

for1( data1, test, inc )           

 

=>  // 展开for1, for1已经不可用

if (test(..., data1))

{

    for2 (inc(..., data), test, inc);

}

else

{

    end;

}

 

如果把上面的表达式看作乘法的最外层循环的话, 那么内层的循环就在inc(..., data)中; 这个inc(..., data), 就是将一个x累加到s中, 也就是一个加法, 也就包含有另一个for循环. 上面已经指出了, 在for(n)展开的时候, for1, for2, ...for(n)都不可用,那么能够由于inc(..., data)中的, 只有for(n + 1), 所以inc(..., data) = inc(n + 1, data), 而inc的实现, 就是一个利用for(n + 1)开始进行的加法; 最终MUL(x, y)展开:

for1

    for2 for3... for(x + 1)                 <= 其中for(x + 1)就是执行++s

for2

    for3 for4... for(x + 2)

for3

    for4 for5... for(x + 3)

...

for(y)

    for(y + 1) for(y + 2)... for(x + y)

这样就实现了利用一组for实现两层迭代

下面是乘法的完整代码:

#define ADD_N(x, y, n)                      TUPLE_SEL(2, 0, CONN(FOR, n)((x, y), ADD_NO_END_I, ADD_INC_I))

#define MUL(x, y)                              TUPLE_SEL(3, 0, FOR1((0, x, y), MUL_NO_END_I, MUL_INC_I))

#define MUL_NO_END_I(i, sxy)         TUPLE_SEL(3, 2, sxy)

#define MUL_INC_I(i, sxy)                 MUL_INC(i, TUPLE_SEL(3, 0, sxy), TUPLE_SEL(3, 1, sxy), TUPLE_SEL(3, 2, sxy))

#define MUL_INC(i, s, x, y)                (ADD_N(s, x, i), x, DEC(y))

8. 最后

宏编程最主要的作用还是代码生成, 看过上面的描述后实现一个

LOOP(n, fItem, delimit)

(n = 3, fItem(n) = typename Tn, delimit = , ) =>

typename T1, typename T2, typename T3

的功能宏, 已经很容易了

恩, 由于boost里面已经有preprocessor库了, 它的稳定性、功能、可移植性都比自己写的要高出很多; 所以, 这篇宏运用的文字, 主要也就是让我这样的普通c++程序员有个底, 到底boost那些神秘强大的宏都在怎样做成代码的, 最终使用的, 还是boost.

这篇本来是作为自己宏编程笔记的, 毕竟被人们冠以奇技淫巧的宏编程和元编程是为库作者准备的, 我也就看看, 隔天就忘了... 从Kevin Lynx的代码自动生成-宏递归思想中学习宏生成代码, 从boost中学习宏的图灵完备性...

下面是这篇文章提到的代码

http://download.csdn.net/source/1842009