简介

C 语言编译器在编译程序之前,会先使用预处理器(preprocessor)处理代码。
预处理器首先会清理代码,进行删除注释、多行语句合成一个逻辑行等工作。然后,执行#开头的预处理指令。本章介绍 C 语言的预处理指令。
预处理指令可以出现在程序的任何地方,但是习惯上,往往放在代码的开头部分。
每个预处理指令都以#开头,放在一行的行首,指令前面可以有空白字符(比如空格或制表符)。#和指令的其余部分之间也可以有空格,但是为了兼容老的编译器,一般不留空格。
所有预处理指令都是一行的,除非在行尾使用反斜杠,将其折行。指令结尾处不需要分号。

#define

define是最常见的预处理指令,用来将指定的词替换成另一个词。它的参数分成两个部分,第一个参数就是要被替换的部分,其余参数是替换后的内容。每条替换规则,称为一个宏(macro)。

  1. #define MAX 100

上面示例中,#define指定将源码里面的MAX,全部替换成100。MAX就称为一个宏。
宏的名称不允许有空格,而且必须遵守 C 语言的变量命名规则,只能使用字母、数字与下划线(_),且首字符不能是数字。
宏是原样替换,指定什么内容,就一模一样替换成什么内容。

  1. #define HELLO "Hello, world"
  2. // 相当于 printf("%s", "Hello, world");
  3. printf("%s", HELLO);

上面示例中,宏HELLO会被原样替换成”Hello, world”。
#define指令可以出现在源码文件的任何地方,从指令出现的地方到文件末尾都有效。习惯上,会将#define放在源码文件的头部。它的主要好处是,会使得程序的可读性更好,也更容易修改。
#define指令从#开始,一直到换行符为止。如果整条指令过长,可以在折行处使用反斜杠,延续到下一行。

  1. #define OW "C programming language is invented \
  2. in 1970s."

上面示例中,第一行结尾的反斜杠将#define指令拆成两行。
#define允许多重替换,即一个宏可以包含另一个宏。

  1. #define TWO 2
  2. #define FOUR TWO*TWO

上面示例中,FOUR会被替换成2*2。
注意,如果宏出现在字符串里面(即出现在双引号中),或者是其他标识符的一部分,就会失效,并不会发生替换。

  1. #define TWO 2
  2. // 输出 TWO
  3. printf("TWO\n");
  4. // 输出 22
  5. const TWOs = 22;
  6. printf("%d\n", TWOs);

上面示例中,双引号里面的TWO,以及标识符TWOs,都不会被替换。
同名的宏可以重复定义,只要定义是相同的,就没有问题。如果定义不同,就会报错。

  1. // 正确
  2. #define FOO hello
  3. #define FOO hello
  4. // 报错
  5. #define BAR hello
  6. #define BAR world

上面示例中,宏FOO没有变化,所以可以重复定义,宏BAR发生了变化,就报错了。

带参数的宏

基本用法

宏的强大之处在于,它的名称后面可以使用括号,指定接受一个或多个参数。

  1. #define SQUARE(X) X*X

上面示例中,宏SQUARE可以接受一个参数X,替换成X*X。
注意,宏的名称与左边圆括号之间,不能有空格。
这个宏的用法如下。

  1. // 替换成 z = 2*2;
  2. z = SQUARE(2);

这种写法很像函数,但又不是函数,而是完全原样的替换,会跟函数有不一样的行为。

  1. #define SQUARE(X) X*X
  2. // 输出19
  3. printf("%d\n", SQUARE(3 + 4));

上面示例中,SQUARE(3 + 4)如果是函数,输出的应该是49(77);宏是原样替换,所以替换成3 + 43 + 4,最后输出19。
可以看到,原样替换可能导致意料之外的行为。解决办法就是在定义宏的时候,尽量多使用圆括号,这样可以避免很多意外。

  1. #define SQUARE(X) ((X) * (X))

上面示例中,SQUARE(X)替换后的形式,有两层圆括号,就可以避免很多错误的发生。
宏的参数也可以是空的。

  1. #define getchar() getc(stdin)

上面示例中,宏getchar()的参数就是空的。这种情况其实可以省略圆括号,但是加上了,会让它看上去更像函数。
一般来说,带参数的宏都是一行的。下面是两个例子。

  1. #define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y))
  2. #define IS_EVEN(n) ((n)%2==0)

如果宏的长度过长,可以使用反斜杠(\)折行,将宏写成多行。

  1. #define PRINT_NUMS_TO_PRODUCT(a, b) { \
  2. int product = (a) * (b); \
  3. for (int i = 0; i < product; i++) { \
  4. printf("%d\n", i); \
  5. } \
  6. }

上面示例中,替换文本放在大括号里面,这是为了创造一个块作用域,避免宏内部的变量污染外部。
带参数的宏也可以嵌套,一个宏里面包含另一个宏。

  1. #define QUADP(a, b, c) ((-(b) + sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
  2. #define QUADM(a, b, c) ((-(b) - sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
  3. #define QUAD(a, b, c) QUADP(a, b, c), QUADM(a, b, c)

上面示例是一元二次方程组求解的宏,由于存在正负两个解,所以宏QUAD先替换成另外两个宏QUADP和QUADM,后者再各自替换成一个解。
那么,什么时候使用带参数的宏,什么时候使用函数呢?
一般来说,应该首先使用函数,它的功能更强、更容易理解。宏有时候会产生意想不到的替换结果,而且往往只能写成一行,除非对换行符进行转义,但是可读性就变得很差。
宏的优点是相对简单,本质上是字符串替换,不涉及数据类型,不像函数必须定义数据类型。而且,宏将每一处都替换成实际的代码,省掉了函数调用的开销,所以性能会好一些。另外,以前的代码大量使用宏,尤其是简单的数学运算,为了读懂前人的代码,需要对它有所了解。

#运算符,##运算符

由于宏不涉及数据类型,所以替换以后可能为各种类型的值。如果希望替换后的值为字符串,可以在替换文本的参数前面加上#。

  1. #define STR(x) #x
  2. // 等同于 printf("%s\n", "3.14159");
  3. printf("%s\n", STR(3.14159));

上面示例中,STR(3.14159)会被替换成3.14159。如果x前面没有#,这会被解释成一个浮点数,有了#以后,就会被转换成字符串。
下面是另一个例子。

  1. #define XNAME(n) "x"#n
  2. // 输出 x4
  3. printf("%s\n", XNAME(4));

上面示例中,#n指定参数输出为字符串,再跟前面的字符串结合,最终输出为”x4”。如果不加#,这里实现起来就很麻烦了。
如果替换后的文本里面,参数需要跟其他标识符连在一起,组成一个新的标识符,可以使用##运算符。它起到粘合作用,将参数“嵌入”一个标识符之中。

  1. #define MK_ID(n) i##n

上面示例中,n是宏MK_ID的参数,这个参数需要跟标识符i粘合在一起,这时i和n之间就要使用##运算符。下面是这个宏的用法示例。

  1. int MK_ID(1), MK_ID(2), MK_ID(3);
  2. // 替换成
  3. int i1, i2, i3;

上面示例中,替换后的文本i1、i2、i3是三个标识符,参数n是标识符的一部分。从这个例子可以看到,##运算符的一个主要用途是批量生成变量名和标识符。

不定参数的宏

宏的参数还可以是不定数量的(即不确定有多少个参数),…表示剩余的参数。

  1. #define X(a, b, ...) (10*(a) + 20*(b)), __VA_ARGS__

上面示例中,X(a, b, …)表示X()至少有两个参数,多余的参数使用…表示。在替换文本中,VA_ARGS代表多余的参数(每个参数之间使用逗号分隔)。下面是用法示例。

  1. X(5, 4, 3.14, "Hi!", 12)
  2. // 替换成
  3. (10*(5) + 20*(4)), 3.14, "Hi!", 12

注意,…只能替代宏的尾部参数,不能写成下面这样。

  1. // 报错
  2. #define WRONG(X, ..., Y) #X #__VA_ARGS__ #Y

上面示例中,…替代中间部分的参数,这是不允许的,会报错。
VA_ARGS前面加上一个#号,可以让输出变成一个字符串。

  1. #define X(...) #__VA_ARGS__
  2. printf("%s\n", X(1,2,3)); // Prints "1, 2, 3"

#undef

undef指令用来取消已经使用#define定义的宏。

  1. #define LIMIT 400
  2. #undef LIMIT

上面示例的undef指令取消已经定义的宏LIMIT,后面就可以重新用 LIMIT 定义一个宏。
有时候想重新定义一个宏,但不确定是否以前定义过,就可以先用#undef取消,然后再定义。因为同名的宏如果两次定义不一样,会报错,而#undef的参数如果是不存在的宏,并不会报错。
GCC 的-U选项可以在命令行取消宏的定义,相当于#undef。

  1. $ gcc -ULIMIT foo.c

上面示例中的-U参数,取消了宏LIMIT,相当于源文件里面的#undef LIMIT。

#include

include指令用于编译时将其他源码文件,加载进入当前文件。它有两种形式。

  1. // 形式一
  2. #include <foo.h> // 加载系统提供的文件
  3. // 形式二
  4. #include "foo.h" // 加载用户提供的文件

形式一,文件名写在尖括号里面,表示该文件是系统提供的,通常是标准库的库文件,不需要写路径。因为编译器会到系统指定的安装目录里面,去寻找这些文件。
形式二,文件名写在双引号里面,表示该文件由用户提供,具体的路径取决于编译器的设置,可能是当前目录,也可能是项目的工作目录。如果所要包含的文件在其他位置,就需要指定路径,下面是一个例子。

  1. #include "/usr/local/lib/foo.h"

GCC 编译器的-I参数,也可以用来指定include命令中用户文件的加载路径。

  1. $ gcc -Iinclude/ -o code code.c

上面命令中,-Iinclude/指定从当前目录的include子目录里面,加载用户自己的文件。
#include最常见的用途,就是用来加载包含函数原型的头文件(后缀名为.h),参见《多文件编译》一章。多个#include指令的顺序无关紧要,多次包含同一个头文件也是合法的。

#if…#endif

if…#endif指令用于预处理器的条件判断,满足条件时,内部的行会被编译,否则就被编译器忽略。

  1. #if 0
  2. const double pi = 3.1415; // 不会执行
  3. #endif

上面示例中,#if后面的0,表示判断条件不成立。所以,内部的变量定义语句会被编译器忽略。#if 0这种写法常用来当作注释使用,不需要的代码就放在#if 0里面。
#if后面的判断条件,通常是一个表达式。如果表达式的值不等于0,就表示判断条件为真,编译内部的语句;如果表达式的值等于0,表示判断条件为伪,则忽略内部的语句。
#if…#endif之间还可以加入#else指令,用于指定判断条件不成立时,需要编译的语句。

  1. #define FOO 1
  2. #if FOO
  3. printf("defined\n");
  4. #else
  5. printf("not defined\n");
  6. #endif

上面示例中,宏FOO如果定义过,会被替换成1,从而输出defined,否则输出not defined。
如果有多个判断条件,还可以加入#elif命令。

  1. #if HAPPY_FACTOR == 0
  2. printf("I'm not happy!\n");
  3. #elif HAPPY_FACTOR == 1
  4. printf("I'm just regular\n");
  5. #else
  6. printf("I'm extra happy!\n");
  7. #endif

上面示例中,通过#elif指定了第二重判断。注意,#elif的位置必须在#else之前。如果多个判断条件皆不满足,则执行#else的部分。
没有定义过的宏,等同于0。因此如果UNDEFINED是一个没有定义过的宏,那么#if UNDEFINED为伪,而#if !UNDEFINED为真。
#if的常见应用就是打开(或关闭)调试模式。

  1. #define DEBUG 1
  2. #if DEBUG
  3. printf("value of i : %d\n", i);
  4. printf("value of j : %d\n", j);
  5. #endif

上面示例中,通过将DEBUG设为1,就打开了调试模式,可以输出调试信息。
GCC 的-D参数可以在编译时指定宏的值,因此可以很方便地打开调试开关。

  1. $ gcc -DDEBUG=1 foo.c

上面示例中,-D参数指定宏DEBUG为1,相当于在代码中指定#define DEBUG 1。

#ifdef…#endif

ifdef…#endif指令用于判断某个宏是否定义过。
有时源码文件可能会重复加载某个库,为了避免这种情况,可以在库文件里使用#define定义一个空的宏。通过这个宏,判断库文件是否被加载了。

  1. #define EXTRA_HAPPY

上面示例中,EXTRA_HAPPY就是一个空的宏。
然后,源码文件使用#ifdef…#endif检查这个宏是否定义过。

  1. #ifdef EXTRA_HAPPY
  2. printf("I'm extra happy!\n");
  3. #endif

上面示例中,#ifdef检查宏EXTRA_HAPPY是否定义过。如果已经存在,表示加载过库文件,就会打印一行提示。
#ifdef可以与#else指令配合使用。

  1. #ifdef EXTRA_HAPPY
  2. printf("I'm extra happy!\n");
  3. #else
  4. printf("I'm just regular\n");
  5. #endif

上面示例中,如果宏EXTRA_HAPPY没有定义过,就会执行#else的部分。
#ifdef…#else…#endif可以用来实现条件加载。

  1. #ifdef MAVIS
  2. #include "foo.h"
  3. #define STABLES 1
  4. #else
  5. #include "bar.h"
  6. #define STABLES 2
  7. #endif

上面示例中,通过判断宏MAVIS是否定义过,实现加载不同的头文件。

defined 运算符

上一节的#ifdef指令,等同于#if defined。

  1. #ifdef FOO
  2. // 等同于
  3. #if defined FOO

上面示例中,defined是一个预处理运算符,如果它的参数是一个定义过的宏,就会返回1,否则返回0。
使用这种语法,可以完成多重判断。

  1. #if defined FOO
  2. x = 2;
  3. #elif defined BAR
  4. x = 3;
  5. #endif

这个运算符的一个应用,就是对于不同架构的系统,加载不同的头文件。

  1. #if defined IBMPC
  2. #include "ibmpc.h"
  3. #elif defined MAC
  4. #include "mac.h"
  5. #else
  6. #include "general.h"
  7. #endif

上面示例中,不同架构的系统需要定义对应的宏。代码根据不同的宏,加载对应的头文件。

#ifndef…#endif

ifndef…#endif指令跟#ifdef…#endif正好相反。它用来判断,如果某个宏没有被定义过,则执行指定的操作。

  1. #ifdef EXTRA_HAPPY
  2. printf("I'm extra happy!\n");
  3. #endif
  4. #ifndef EXTRA_HAPPY
  5. printf("I'm just regular\n");
  6. #endif

上面示例中,针对宏EXTRA_HAPPY是否被定义过,#ifdef和#ifndef分别指定了两种情况各自需要编译的代码。
#ifndef常用于防止重复加载。举例来说,为了防止头文件myheader.h被重复加载,可以把它放在#ifndef…#endif里面加载。

  1. #ifndef MYHEADER_H
  2. #define MYHEADER_H
  3. #include "myheader.h"
  4. #endif

上面示例中,宏MYHEADER_H对应文件名myheader.h的大写。只要#ifndef发现这个宏没有被定义过,就说明该头文件没有加载过,从而加载内部的代码,并会定义宏MYHEADER_H,防止被再次加载。
#ifndef等同于#if !defined。

  1. #ifndef FOO
  2. // 等同于
  3. #if !defined FOO

预定义宏

C 语言提供一些预定义的宏,可以直接使用。

  • DATE:编译日期,格式为“Mmm dd yyyy”的字符串(比如 Nov 23 2021)。
  • TIME:编译时间,格式为“hh:mm:ss”。
  • FILE:当前文件名。
  • LINE:当前行号。
  • func:当前正在执行的函数名。该预定义宏必须在函数作用域使用。
  • STDC:如果被设为1,表示当前编译器遵循 C 标准。
  • STDC_HOSTED:如果被设为1,表示当前编译器可以提供完整的标准库;否则被设为0(嵌入式系统的标准库常常是不完整的)。
  • STDC_VERSION:编译所使用的 C 语言版本,是一个格式为yyyymmL的长整数,C99 版本为“199901L”,C11 版本为“201112L”,C17 版本为“201710L”。

下面示例打印这些预定义宏的值。

  1. #include <stdio.h>
  2. int main(void) {
  3. printf("This function: %s\n", __func__);
  4. printf("This file: %s\n", __FILE__);
  5. printf("This line: %d\n", __LINE__);
  6. printf("Compiled on: %s %s\n", __DATE__, __TIME__);
  7. printf("C Version: %ld\n", __STDC_VERSION__);
  8. }
  9. /* 输出如下
  10. This function: main
  11. This file: test.c
  12. This line: 7
  13. Compiled on: Mar 29 2021 19:19:37
  14. C Version: 201710
  15. */

#line

line指令用于覆盖预定义宏LINE,将其改为自定义的行号。后面的行将从LINE的新值开始计数。

  1. // 将下一行的行号重置为 300
  2. #line 300

上面示例中,紧跟在#line 300后面一行的行号,将被改成300,其后的行会在300的基础上递增编号。
#line还可以改掉预定义宏FILE,将其改为自定义的文件名。

  1. #line 300 "newfilename"

上面示例中,下一行的行号重置为300,文件名重置为newfilename。

#error

error指令用于让预处理器抛出一个错误,终止编译。

  1. #if __STDC_VERSION__ != 201112L
  2. #error Not C11
  3. #endif

上面示例指定,如果编译器不使用 C11 标准,就中止编译。GCC 编译器会像下面这样报错。

  1. $ gcc -std=c99 newish.c
  2. newish.c:14:2: error: #error Not C11

上面示例中,GCC 使用 C99 标准编译,就报错了。

  1. #if INT_MAX < 100000
  2. #error int type is too small
  3. #endif

上面示例中,编译器一旦发现INT类型的最大值小于100,000,就会停止编译。
#error指令也可以用在#if…#elif…#else的部分。

  1. #if defined WIN32
  2. // ...
  3. #elif defined MAC_OS
  4. // ...
  5. #elif defined LINUX
  6. // ...
  7. #else
  8. #error NOT support the operating system
  9. #endif

#pragma #

pragma指令用来修改编译器属性。

  1. // 使用 C99 标准
  2. #pragma c9x on

上面示例让编译器以 C99 标准进行编译。