C语言的编译预处理

在将一个C源程序转换为可执行程序的过程中, 编译预处理是最初的步骤. 这一步骤是由预处理器(preprocessor)来完成的. 在源流程序被编译器处理之前, 预处理器首先对源程序中的"宏(macro)"进行处理.
C初学者可能对预处理器没什么概念, 这是情有可原的: 一般的C编译器都将预处理, 汇编, 编译, 连接过程集成到一起了. 编译预处理往往在后台运行. 在有的C编译器中, 这些过程统统由一个单独的程序来完成, 编译的不同阶段实现这些不同的功能. 可以指定相应的命令选项来执行这些功能. 有的C编译器使用分别的程序来完成这些步骤. 可单独调用这些程序来完成. 在gcc中, 进行编译预处理的程序被称为CPP, 它的可执行文件名为cpp.
编译预处理命令的语法与C语言的语法是完全独立的. 比如: 你可以将一个宏扩展为与C语法格格不入的内容, 但该内容与后面的语句结合在一个若能生成合法的C语句, 也是可以正确编译的.

(一) 预处理命令简介
--------------------------------------------------------------------------------
预处理命令由#(hash字符)开头, 它独占一行, #之前只能是空白符. 以#开头的语句就是预处理命令, 不以#开头的语句为C中的代码行. 常用的预处理命令如下:
#define              定义一个预处理宏
#undef             取消宏的定义
#include            包含文件命令
#include_next   与#include相似, 但它有着特殊的用途
#if                      编译预处理中的条件命令, 相当于C语法中的if语句
#ifdef                判断某个宏是否被定义, 若已定义, 执行随后的语句
#ifndef             与#ifdef相反, 判断某个宏是否未被定义
#elif                  若#if, #ifdef, #ifndef或前面的#elif条件不满足, 则执行#elif之后的语句, 相当于C语法中的else-if
#else                与#if, #ifdef, #ifndef对应, 若这些条件不满足, 则执行#else之后的语句, 相当于C语法中的else
#endif              #if, #ifdef, #ifndef这些条件命令的结束标志.
defined          与#if, #elif配合使用, 判断某个宏是否被定义
#line                标志该语句所在的行号
#                      将宏参数替代为以参数值为内容的字符窜常量
##                   将两个相邻的标记(token)连接为一个单独的标记
#pragma       说明编译器信息
#warning       显示编译警告信息
#error          显示编译错误信息

(二) 预处理的文法
--------------------------------------------------------------------------------
预处理并不分析整个源代码文件, 它只是将源代码分割成一些标记(token), 识别语句中哪些是C语句, 哪些是预处理语句. 预处理器能够识别C标记, 文件名, 空白符, 文件结尾标志.
预处理语句格式:    #command name(...) token(s)
1, command预处理命令的名称, 它之前以#开头, #之后紧随预处理命令, 标准C允许#两边可以有空白符, 但比较老的编译器可能不允许这样. 若某行中只包含#(以及空白符), 那么在标准C中该行被理解为空白. 整个预处理语句之后只能有空白符或者注释, 不能有其它内容.
2, name代表宏名称, 它可带参数. 参数可以是可变参数列表(C99).
3, 语句中可以利用""来换行.
e.g.
# define ONE 1 /* ONE == 1 */
等价于: #define ONE　１
#define err(flag, msg) if(flag) \
   printf(msg)
等价于: #define err(flag, msg) if(flag) printf(msg)

(三) 预处理命令详述
--------------------------------------------------------------------------------
1, #define
#define命令定义一个宏:
#define MACRO_NAME(args) tokens(opt)
之后出现的MACRO_NAME将被替代为所定义的标记(tokens). 宏可带参数, 而后面的标记也是可选的.
对象宏
不带参数的宏被称为"对象宏(objectlike macro)"
#define经常用来定义常量, 此时的宏名称一般为大写的字符串. 这样利于修改这些常量.
e.g.
#define MAX 100
int a[MAX];
#ifndef __FILE_H__
#define __FILE_H__
#include "file.h"
#endif
#define __FILE_H__ 中的宏就不带任何参数, 也不扩展为任何标记. 这经常用于包含头文件.
要调用该宏, 只需在代码中指定宏名称, 该宏将被替代为它被定义的内容.
函数宏
带参数的宏也被称为"函数宏". 利用宏可以提高代码的运行效率: 子程序的调用需要压栈出栈, 这一过程如果过于频繁会耗费掉大量的CPU运算资源. 所以一些代码量小但运行频繁的代码如果采用带参数宏来实现会提高代码的运行效率.
函数宏的参数是固定的情况
函数宏的定义采用这样的方式: #define name( args ) tokens
其中的args和tokens都是可选的. 它和对象宏定义上的区别在于宏名称之后不带括号.
注意, name之后的左括号(必须紧跟name, 之间不能有空格, 否则这就定义了一个对象宏, 它将被替换为 以(开始的字符串. 但在调用函数宏时, name与(之间可以有空格.
e.g.
#define mul(x,y) ((x)*(y))
注意, 函数宏之后的参数要用括号括起来, 看看这个例子:
e.g.
#define mul(x,y) x*y
"mul(1, 2+2);" 将被扩展为: 1*2 + 2
同样, 整个标记串也应该用括号引用起来:
e.g.
#define mul(x,y) (x)*(y)
sizeof mul(1,2.0) 将被扩展为 sizeof 1 * 2.0
调用函数宏时候, 传递给它的参数可以是函数的返回值, 也可以是任何有意义的语句:
e.g.
mul (f(a,b), g(c,d));
e.g.
#define insert(stmt) stmt
insert ( a="1"; b="2";) 相当于在代码中加入 a="1"; b="2" .
insert ( a="1", b="2";) 就有问题了: 预处理器会提示出错: 函数宏的参数个数不匹配. 预处理器把","视为参数间的分隔符.
insert ((a=1, b="2";)) 可解决上述问题.
在定义和调用函数宏时候, 要注意一些问题:
1, 我们经常用{}来引用函数宏被定义的内容, 这就要注意调用这个函数宏时的";"问题.
example_3.7:
#define swap(x,y) { unsigned long _temp=x; x="y"; y=_tmp}
如果这样调用它: "swap(1,2);" 将被扩展为: { unsigned long _temp=1; 1=2; 2=_tmp};
明显后面的;是多余的, 我们应该这样调用: swap(1,2)
虽然这样的调用是正确的, 但它和C语法相悖, 可采用下面的方法来处理被{}括起来的内容:
#define swap(x,y) \
   do { unsigned long _temp=x; x="y"; y=_tmp} while (0)
swap(1,2); 将被替换为:
do { unsigned long _temp=1; 1=2; 2=_tmp} while (0);
在Linux内核源代码中对这种do-while(0)语句有这广泛的应用.
2, 有的函数宏是无法用do-while(0)来实现的, 所以在调用时不能带上";", 最好在调用后添加注释说明.
eg_3.8:
#define incr(v, low, high) \
   for ((v) = (low),; (v) <= (high); (v)++)
只能以这样的形式被调用: incr(a, 1, 10) /* increase a form 1 to 10 */
函数宏中的参数包括可变参数列表的情况
C99标准中新增了可变参数列表的内容. 不光是函数, 函数宏中也可以使用可变参数列表.
#define name(args, ...) tokens
#define name(...) tokens
"..."代表可变参数列表, 如果它不是仅有的参数, 那么它只能出现在参数列表的最后. 调用这样的函数宏时, 传递给它的参数个数要不少于参数列表中参数的个数(多余的参数被丢弃).
通过__VA_ARGS__来替换函数宏中的可变参数列表. 注意__VA_ARGS__只能用于函数宏中参数中包含有"..."的情况.
e.g.
#ifdef DEBUG
#define my_printf(...) fprintf(stderr, __VA_ARGS__)
#else
#define my_printf(...) printf(__VA_ARGS__)
#endif
tokens中的__VA_ARGS__被替换为函数宏定义中的"..."可变参数列表.
注意在使用#define时候的一些常见错误:
#define MAX = 100
#define MAX 100;
=, ; 的使用要值得注意. 再就是调用函数宏是要注意, 不要多给出";".
注意: 函数宏对参数类型是不敏感的, 你不必考虑将何种数据类型传递给宏. 那么, 如何构建对参数类型敏感的宏呢? 参考本章的第九部分, 关于"##"的介绍.
 
关于定义宏的另外一些问题
(1) 宏可以被多次定义, 前提是这些定义必须是相同的. 这里的"相同"要求先后定义中空白符出现的位置相同, 但具体的空白符类型或数量可不同, 比如原先的空格可替换为多个其他类型的空白符: 可为tab, 注释...
e.g.
#define NULL 0
#define NULL　/* null pointer */     0
上面的重定义是相同的, 但下面的重定义不同:
#define fun(x) x+1
#define fun(x) x + 1 或: #define fun(y) y+1
如果多次定义时, 再次定义的宏内容是不同的, gcc会给出"NAME redefined"警告信息.
应该避免重新定义函数宏, 不管是在预处理命令中还是C语句中, 最好对某个对象只有单一的定义. 在gcc中, 若宏出现了重定义, gcc会给出警告.
(2) 在gcc中, 可在命令行中指定对象宏的定义:
e.g.
$ gcc -Wall -DMAX=100 -o tmp tmp.c
相当于在tmp.c中添加" #define MAX 100".
那么, 如果原先tmp.c中含有MAX宏的定义, 那么再在gcc调用命令中使用-DMAX, 会出现什么情况呢?
---若-DMAX=1, 则正确编译.
---若-DMAX的值被指定为不为1的值, 那么gcc会给出MAX宏被重定义的警告, MAX的值仍为1.
注意: 若在调用gcc的命令行中不显示地给出对象宏的值, 那么gcc赋予该宏默认值(1), 如: -DVAL == -DVAL=1
(3) #define所定义的宏的作用域
宏在定义之后才生效, 若宏定义被#undef取消, 则#undef之后该宏无效. 并且字符串中的宏不会被识别。