C语言进阶之路之顶峰相见篇

目录

         一、学习目标

二、宏定义

预处理

宏的概念

带参宏

无值宏定义

三、条件编译

条件编译

条件编译的使用场景

四、头文件

头文件的作用

头文件的内容

头文件的基础语句：

GCC编译器的4个编译步骤：

总结

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一、学习目标

• 掌握宏定义含义和用法
• 理解条件编译的场景和用法
• 清楚头文件的概念和用法

二、宏定义

预处理

        在C语言程序源码中，凡是以井号（#）开头的语句被称为预处理语句，这些语句严格意义上并不属于C语言语法的范畴，它们在编译的第一个阶段统一由所谓预处理器（cc1）来处理。所谓预处理，顾名思义，指的是真正的C程序编译之前预先进行的一些处理步骤，这些预处理指令包括：

1. 头文件：#include
2. 定义宏：#define
3. 取消宏：#undef
4. 条件编译：#if、#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif
5. 显示错误：#error
6. 修改当前文件名和行号：#line
7. 向编译器传送特定指令：#progma

• 基本语法
  • 一个逻辑行只能出现一条预处理指令，多个物理行需要用反斜杠（ \ 转义字符）连接成一个逻辑行
  • 预处理是整个编译全过程的第一步：预处理 - 编译 - 汇编 - 链接
  • 可以通过如下编译选项来指定来限定编译器只进行预处理操作 -E：

gcc example.c -o example.i -E

宏的概念

宏（macro）实际上就是一段特定的字串，在源码中用以替换为指定的表达式。例如：

#define PI 3.14

        此处，PI 就是宏（宏一般习惯用大写字母表达，以区分于变量和函数，但这并不是语法规定，只是一种习惯），是一段特定的字串，这个字串在源码中出现时，将被替换为3.14。例如：

int main()
{
    printf("圆周率: %f\n", PI);   
    // 此语句将被替换为：printf("圆周率: %f\n", 3.14);
}

• 宏的作用：
  • 使得程序更具可读性：字串单词一般比纯数字更容易让人理解其含义。
  • 使得程序修改更易行：修改宏定义，即修改了所有该宏替换的表达式。
  • 提高程序的运行效率（宏函数）：程序的执行不再需要函数切换开销，而是就地展开。

无参宏

无参宏意味着使用宏的时候，无需指定任何参数，比如：

#define PI          3.14
#define SCREEN_SIZE 800*480*4 
int main()
{
    // 在代码中，可以随时使用以上无参宏，来替代其所代表的表达式：
    printf("圆周率: %f\n", PI); 
    mmap(NULL, SCREEN_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, ...);
}

注意到，上述代码中，除了有自定义的宏，还有系统预定义的宏：

// 自定义宏:
#define PI          3.14
#define SCREEN_SIZE 800*480*4 

// 系统预定义宏
#define NULL ((void *)0)
#define PROT_READ    0x1    /* Page can be read.  */
#define PROT_WRITE    0x2    /* Page can be written.  */
#define MAP_SHARED    0x01    /* Share changes.  */
#define  NULL           ((void *)0)

宏的最基本特征是进行直接文本替换(不做任何的运算以及判断)，以上代码被替换之后的结果是：

int main()
{
    printf("圆周率: %f\n", 3.14); 
    mmap(((void *)0), 800*480*4, 0x1|0x2, 0x01, ...);
}

带参宏

        带参宏意味着宏定义可以携带“参数”，从形式上看跟函数很像（因此带参宏被称为宏函数），例如：

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

        以上的MAX(a,b) 和 MIN(a,b) 都是带参宏，不管是否带参，宏都遵循最初的规则，即宏是一段待替换的文本，例如在以下代码中，宏在预处理阶段都将被替换掉：

int main()
{
    int x = 100, y = 200;
    printf("最大值:%d\n", MAX(x, y));
    printf("最小值:%d\n", MIN(x, y));
    // 以上代码等价于:
    // printf("最大值:%d\n", x>y ? x : y);
    // printf("最小值:%d\n", x<y ? x : y);
}

• 带参宏的特点：

• 1. 直接文本替换，不做任何语法判断，更不做任何中间运算。
  2. 宏在编译的第一个阶段就被替换掉，运行中不存在宏。
  3. 宏将在所有出现它的地方展开，这一方面浪费了内存空间，另一方面有节约了切换时间。

带参宏的副作用

        由于宏仅仅做文本替换，中间不涉及任何语法检查、类型匹配、数值运算，因此用起来相对函数要麻烦很多。例如：

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

int main()
{
    int x = 100, y = 200;
    printf("最大值:%d\n", MAX(x, y==200?888:999));
}

        直观上看，无论 y 的取值是多少，表达式 y==200?888:999 的值一定比 x 要大，但由于宏定义仅仅是文本替换，中间不涉及任何运算，因此等价于：

printf("最大值:%d\n", x>y==200?888:999 ? x : y==200?888:999);

        可见，带参宏的参数不能像函数参数那样视为一个整体，整个宏定义也不能视为一个单一的数据，事实上，不管是宏参数还是宏本身，都应被视为一个字串，或者一个表达式，或者一段文本，因此最基本的原则是：

• 将宏定义中所有能用括号括起来的部分，都括起来，比如：

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

无值宏定义

定义无参宏的时候，不一定需要带值，无值的宏定义经常在条件编译中作为判断条件出现（实现条件编译），例如：

#define BIG_ENDIAN
#define __cplusplus

三、条件编译

条件编译

• 概念：有条件的编译，通过控制某些宏的值，来决定编译哪段代码。
• 形式：
  • 形式1：判断表达式 MACRO 是否为真，据此决定其所包含的代码段是否要编译
  • 注意：#if形式条件编译需要有值宏

#define A 0
#define B 1
#define C 2

#if A
    ... // 如果 MACRO 为真，那么该段代码将被编译，否则被丢弃
#endif

// 二路分支
#if A
    ... 
#elif B
    ...
#endif

示例：

#define  DEBUG  0 
#define  DEMO  1 
#define  TEST  0 

int main(int argc, char const *argv[])
{

    printf("%d__%s\n" , __LINE__ , __FUNCTION__ );
    

    printf("%d__%s\n" , __LINE__ , __FUNCTION__ );

// 判断宏 DEBUG是否为真
#if DEBUG 
    printf("%d__%s\n" , __LINE__ , __FUNCTION__ );
#endif

// 判断宏 DEMO 是否为真  来决定使用的是  21行或23行
#if DEMO
    printf("%d__%s\n" , __LINE__ , __FUNCTION__ );
#else
    printf("%d__%s\n" , __LINE__ , __FUNCTION__ );
#endif


// 判断宏 DEMO 是否为真  如果为真则启用地29行，否则判断TEST是否为真来决定启用 31或33行
#if DEMO
    printf("%d__%s\n" , __LINE__ , __FUNCTION__ );
#elif TEST
    printf("%d__%s\n" , __LINE__ , __FUNCTION__ );
#else
    printf("%d__%s\n" , __LINE__ , __FUNCTION__ );
#endif


    return 0;
}

如何在编译时定义或指定宏的值：

gcc  xxx.c   -DDEBUG=1  #  编译xxx.c时设置宏DEBUG的值为1 

• 形式：
  • 形式2：判断宏 MACRO 是否已被定义，据此决定其所包含的代码段是否要编译

// 单独判断
#ifdef MACRO
    ...
#endif

// 二路分支
#ifdef MACRO
    ...
#else
   ...
#endif

• 形式：
  • 形式3：判断宏MACRO是否未被定义，据此决定其所包含的代码段是否要编译

// 单独判断
#ifndef MACRO
    ...
#endif

// 二路分支
#ifndef MACRO
    ...
#else
   ...
#endif

• 总结：
  • #ifdef 此种形式，判定的是宏是否已被定义，这不要求宏有值。
  • #if 、#elif 这些形式，判定的是宏的值是否为真，这要求宏必须有值。
  • 在命令行中进行编译程序时可以直接使用-D选项来定义宏，此时宏的值如果没有特意给那么该宏的值默认为真。

gcc   xxx.c  -o xxx  -DDEBUG  #  当前命令行中定义了一个宏 DEBUG并该宏没有赋值那么他的值默认为真

条件编译的使用场景

        控制调试语句：在程序中，用条件编译将调试语句包裹起来，通过gcc编译选项随意控制调试代码的启停状态。例如：

gcc example.c -o example -DMACRO

        以上语句中，-D意味着 Define，MACRO 是程序中用来控制调试语句的一个宏，如此一来就可以在完全不需要修改源代码的情况下，通过外部编译指令选项非常方便地控制调试信息的启停。

        选择代码片段：在一些大型项目中（例如 Linux 内核），某个相同功能的模块往往有不同的实现，需要用户根据具体的情况来“配置”，这个所谓的配置的过程，就是对代码中不同的宏的选择的过程。

#define A 0  // 网卡1
#define B 1  // 网卡2  √
#define C 0  // 网卡3

// 多路分支
#if A
    ... 
#elif B
    ...
#elif C
    ...
#endif       

四、头文件

        头文件的作用

        通常，一个常规的C语言程序会包含多个源码文件（.c），当某些公共资源需要在各个源码文件中使用时，为了避免多次编写相同的代码，一般的做法是将这些大家都需要用到的公共资源放入头文件（.h）当中，然后在各个源码文件中直接包含即可。

头文件的内容

• 头文件中所存放的内容，就是各个源码文件（xxx.c）的彼此可见的公共资源，包括：

1. 全局变量的声明。
2. 普通函数的声明。
3. 静态函数的定义。 --- 使用static 修饰的函数
4. 宏定义。
5. 结构体、联合体的声明。
6. 枚举常量列表的声明。
7. 其他头文件。 --- 嵌套包含其他 的头文件

头文件的基础语句：

#ifndef     MY_HEAD_H   //这是一个条件编译，判断MY_HEAD_H是否没有被定义 （如果没定义则条件成立）
#define     MY_HEAD_H   //定义一个宏  MY_HEAD_H


// 错误示范， 如果该头文件被多个.C所包含则有可能会导致重复定义的问题
int a = 123 ;
char b = 45 ;


#endif   //ifndef 的结束标记

注意：

• • 头文件中的基础格式 #ifndef #define #endif 这3条语句用于防止同一个头文件被一个.c源文件多次重复包含。
  • 错误示范中 a与b的定义在多个原文件中被定义，因此在链接阶段会出现多重定义的问题。

• 特别说明：

• 1. 全局变量、普通函数的定义一般出现在某个源文件（*.c *.cpp）中，其他的源文件想要使用都需要进行声明，因此声明语句一般放在头文件中更方便。

• 1. 静态函数、宏定义、结构体、联合体的声明都只能在其所在的文件可见，因此如果多个源文件都需要使用的话，放到头文件中定义是最方便，也是最安全的选择。

GCC编译器的4个编译步骤：

预处理：

编译：

汇编：

该操作直接使用汇编器，把上一个步骤产生的.s汇编文件直接转换为对应的二进制的指令。

链接

总结

        本文细讲了C语进阶路上的终极BOSS关卡，这次的BOSS可以结合之前的所有技能和特点，C语的第一阶段到现在就结束了，将各关卡的小怪全部斩杀后可获得大量经验值。而下一阶段来细讲数据结构的小怪、BOSS，听说通过后有神秘奖励哦~最后祝各位都可爬上C语巅峰，斩尽拦路小妖。