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id: 预处理器
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title: 预处理器
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sidebar_position: 16
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data: 2022年3月30日
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## 简介
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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。
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预处理器首先会清理代码，进行删除注释、多行的语句合成一个逻辑行等等。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。
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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。
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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。
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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。
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## #define
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`#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）。
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```c
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#define MAX 100
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```
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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。
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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。
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宏是原样替换，指定什么内容，就一模一样替换成什么内容。
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```c
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#define HELLO "Hello, world"
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// 相当于 printf("%s", "Hello, world");
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printf("%s", HELLO);
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```
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上面示例中，宏`HELLO`会被原样替换成`"Hello, world"`。
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`#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该文件末尾都有效。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。
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`#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。
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```c
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#define OW "C programming language is invented \
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in 1970s."
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```
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上面示例中，第一行结尾的反斜杠将`#define`指令拆成两行。
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`#define`允许多重替换，即一个宏可以包含另一个宏。
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```c
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#define TWO 2
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#define FOUR TWO*TWO
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```
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上面示例中，`FOUR`会被替换成`2*2`。
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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。
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```c
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#define TWO 2
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// 输出 TWO
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printf("TWO\n");
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// 输出 22
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const TWOs = 22;
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printf("%d\n", TWOs);
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```
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上面示例中，双引号里面的`TWO`，以及标识符`TWOs`，都不会被替换。
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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。
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```c
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// 正确
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#define FOO hello
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#define FOO hello
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// 报错
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#define BAR hello
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#define BAR world
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```
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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。
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## 带参数的宏
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### 基本用法
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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。
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```c
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#define SQUARE(X) X*X
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```
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上面示例中，宏`SQUARE`可以接受一个参数`X`，替换成`X*X`。
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注意，宏的名称与左边圆括号之间，不能有空格。
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这个宏的用法如下。
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```c
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// 替换成 z = 2*2;
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z = SQUARE(2);
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```
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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。
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```c
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#define SQUARE(X) X*X
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// 输出19
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printf("%d\n", SQUARE(3 + 4));
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```
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上面示例中，`SQUARE(3 + 4)`如果是函数，输出的应该是49（`7*7`）；宏是原样替换，所以替换成`3 + 4*3 + 4`，最后输出19。
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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。
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```c
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#define SQUARE(X) ((X) * (X))
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```
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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。
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宏的参数也可以是空的。
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```c
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#define getchar() getc(stdin)
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```
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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。
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一般来说，带参数的宏都是一行的。下面是两个例子。
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```c
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#define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y))
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#define IS_EVEN(n) ((n)%2==0)
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```
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如果宏的长度过长，可以使用反斜杠（`\`）折行，将宏写成多行。
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```c
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#define PRINT_NUMS_TO_PRODUCT(a, b) { \
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int product = (a) * (b); \
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for (int i = 0; i < product; i++) { \
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printf("%d\n", i); \
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} \
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}
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```
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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。
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带参数的宏也可以嵌套，一个宏里面包含另一个宏。
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```c
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#define QUADP(a, b, c) ((-(b) + sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
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#define QUADM(a, b, c) ((-(b) - sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
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#define QUAD(a, b, c) QUADP(a, b, c), QUADM(a, b, c)
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```
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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。
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那么，什么时候使用带参数的宏，什么时候使用函数呢？
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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。
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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。
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### `#`运算符，`##`运算符
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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`#`。
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```c
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#define STR(x) #x
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// 等同于 printf("%s\n", "3.14159");
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printf("%s\n", STR(3.14159));
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```
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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。
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下面是另一个例子。
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```c
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#define XNAME(n) "x"#n
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// 输出 x4
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printf("%s\n", XNAME(4));
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```
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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。
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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。
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```c
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#define MK_ID(n) i##n
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```
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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。
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```c
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int MK_ID(1), MK_ID(2), MK_ID(3);
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// 替换成
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int i1, i2, i3;
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```
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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。
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### 不定参数的宏
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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。
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```c
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#define X(a, b, ...) (10*(a) + 20*(b)), __VA_ARGS__
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```
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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。
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```c
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X(5, 4, 3.14, "Hi!", 12)
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// 替换成
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(10*(5) + 20*(4)), 3.14, "Hi!", 12
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```
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注意，`...`只能替代宏的尾部参数，不能写成下面这样。
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```c
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// 报错
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#define WRONG(X, ..., Y) #X #__CA_ARGS__ #Y
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```
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上面示例中，`...`替代中间部分的参数，这是不允许的，会报错。
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`__VA_ARGS__`前面加上一个`#`号，可以让输出变成一个字符串。
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```c
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#define X(...) #__VA_ARGS__
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printf("%s\n", X(1,2,3)); // Prints "1, 2, 3"
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```
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## #undef
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`#undef`指令用来取消已经使用`#define`定义的宏。
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```c
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#define LIMIT 400
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#undef LIMIT
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```
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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。
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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。
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GCC 的`-U`选项可以在命令行取消宏的定义，相当于`#undef`。
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```bash
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gcc -ULIMIT foo.c
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```
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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`。
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## #include
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`#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。
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```c
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// 形式一
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#include <foo.h> // 加载系统提供的文件
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// 形式二
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#include "foo.h" // 加载用户提供的文件
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```
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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。
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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。
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```c
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#include "/usr/local/lib/foo.h"
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```
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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。
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```bash
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gcc -Iinclude/ -o code code.c
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```
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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。
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`#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。
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## #if...#endif
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`#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。
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```c
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#if 0
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const double pi = 3.1415; // 不会执行
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#endif
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```
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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。
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`#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。
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`#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。
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```c
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#define FOO 1
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#if FOO
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printf("defined\n");
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#else
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printf("not defined\n");
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#endif
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```
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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`。
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如果有多个判断条件，还可以加入`#elif`命令。
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```c
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#if HAPPY_FACTOR == 0
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printf("I'm not happy!\n");
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#elif HAPPY_FACTOR == 1
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||
printf("I'm just regular\n");
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||
#else
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||
printf("I'm extra happy!\n");
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||
#endif
|
||
```
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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。
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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。
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`#if`的常见应用就是打开（或关闭）调试模式。
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```c
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#define DEBUG 1
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#if DEBUG
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printf("value of i : %d\n", i);
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printf("value of j : %d\n", j);
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#endif
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```
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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。
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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。
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```bash
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gcc -DDEBUG=1 foo.c
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```
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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`。
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## #ifdef...#endif
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`#ifdef...#endif`指令用于判断某个宏是否定义过。
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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。
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```c
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#define EXTRA_HAPPY
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```
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上面示例中，`EXTRA_HAPPY`就是一个空的宏。
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然后，源码文件使用`#ifdef...#endif`检查这个宏是否定义过。
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```c
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||
#ifdef EXTRA_HAPPY
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||
printf("I'm extra happy!\n");
|
||
#endif
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||
```
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||
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||
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。
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||
`#ifdef`可以与`#else`指令配合使用。
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```c
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||
#ifdef EXTRA_HAPPY
|
||
printf("I'm extra happy!\n");
|
||
#else
|
||
printf("I'm just regular\n");
|
||
#endif
|
||
```
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||
|
||
上面示例中，如果宏`EXTRA_HAPPY`没有定义过，就会执行`#else`的部分。
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||
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||
`#ifdef...#else...#endif`可以用来实现条件加载。
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```c
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#ifdef MAVIS
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||
#include "foo.h"
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||
#define STABLES 1
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||
#else
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||
#include "bar.h"
|
||
#define STABLES 2
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||
#endif
|
||
```
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||
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||
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。
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## defined 运算符
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上一节的`#ifdef`指令，等同于`#if defined`。
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```c
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#ifdef FOO
|
||
// 等同于
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||
#if defined FOO
|
||
```
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||
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。
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||
使用这种语法，可以完成多重判断。
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||
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||
```c
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||
#if defined FOO
|
||
x = 2;
|
||
#elif defined BAR
|
||
x = 3;
|
||
#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。
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||
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||
```c
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||
#if defined IBMPC
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||
#include "ibmpc.h"
|
||
#elif defined MAC
|
||
#include "mac.h"
|
||
#else
|
||
#include "general.h"
|
||
#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。
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||
|
||
## #ifndef...#endif
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||
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||
`#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。
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||
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||
```c
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||
#ifdef EXTRA_HAPPY
|
||
printf("I'm extra happy!\n");
|
||
#endif
|
||
|
||
#ifndef EXTRA_HAPPY
|
||
printf("I'm just regular\n");
|
||
#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。
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||
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||
```c
|
||
#ifndef MYHEADER_H
|
||
#define MYHEADER_H
|
||
#include "myheader.h"
|
||
#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。
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||
|
||
`#ifndef`等同于`#if !defined`。
|
||
|
||
```c
|
||
#ifndef FOO
|
||
// 等同于
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||
#if !defined FOO
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||
```
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|
||
## 预定义宏
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||
|
||
C 语言提供一些预定义的宏，可以直接使用。
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||
- `__DATE__`：编译日期，格式为“Mmm dd yyyy”的字符串（比如 Nov 23 2021）。
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||
- `__TIME__`：编译时间，格式为“hh:mm:ss”。
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||
- `__FILE__`：当前文件名。
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||
- `__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”。
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||
下面示例打印这些预定义宏的值。
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```c
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||
#include <stdio.h>
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||
int main(void) {
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||
printf("This function: %s\n", __func__);
|
||
printf("This file: %s\n", __FILE__);
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||
printf("This line: %d\n", __LINE__);
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printf("Compiled on: %s %s\n", __DATE__, __TIME__);
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printf("C Version: %ld\n", __STDC_VERSION__);
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}
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/* 输出如下
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This function: main
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This file: test.c
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This line: 7
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Compiled on: Mar 29 2021 19:19:37
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C Version: 201710
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*/
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```
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## #line
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`#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。
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```c
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// 将下一行的行号重置为 300
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#line 300
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```
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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。
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`#line`还可以改掉预定义宏`__FILE__`，将其改为自定义的文件名。
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```c
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#line 300 "newfilename"
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```
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上面示例中，下一行的行号重置为`300`，文件名重置为`newfilename`。
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## #error
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`#error`指令用于让预处理器抛出一个错误，终止编译。
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```c
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#if __STDC_VERSION__ != 201112L
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#error Not C11
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#endif
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```
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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。
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```bash
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$ gcc -std=c99 newish.c
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newish.c:14:2: error: #error Not C11
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```
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上面示例中，GCC 使用 C99 标准编译，就报错了。
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```c
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#if INT_MAX < 100000
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#error int type is too small
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#endif
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```
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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。
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`#error`指令也可以用在`#if...#elif...#else`的部分。
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```c
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#if defined WIN32
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// ...
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#elif defined MAC_OS
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// ...
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#elif defined LINUX
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// ...
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#else
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#error NOT support the operating system
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#endif
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```
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## #pragma
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`#pragma`指令用来修改编译器属性。
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```c
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// 使用 C99 标准
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#pragma c9x on
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```
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上面示例让编译器以 C99 标准进行编译。
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