C++中编译预处理功能

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众所周知，C++编译预处理功能分为三种：宏定义、文件包含和条件编译

文件包含分为两种。#include<>和#include""  前者是对标准头文件的包含，后者是对用户自定义头文件的包含。在预编译时，前者访问系统文件目录，后者先访问用户目录，没有后访问安装目录、系统文件目录。

宏定义主要目的是为程序员在编程时提供一定的方便，并能在一定程度上提高程序的运行效率。

  

在使用宏定义时应注意的是：

　　（a） 在书写#define 命令时，注意<宏名>和<字符串>之间用空格分开，而不是用等号连接。

　　（b） 使用#define定义的标识符不是变量，它只用作宏替换，因此不占有内存。

　　（c） 习惯上用大写字母表示<宏名>，这只是一种习惯的约定，其目的是为了与变量名区分，因为变量名

                    通常用小写字母。

　　如果某一个标识符被定义为宏名后，在取消该宏定义之前，不允许重新对它进行宏定义。取消宏定义使用如下命令：

　　#undef<标识符>

　　其中，undef是关键字。该命令的功能是取消对<标识符>已有的宏定义。被取消了宏定义的标识符，可以对它重新进行定义。

1　#define命令剖析

1.1   #define的概念

    #define命令是C语言中的一个宏定义命令，它用来将一个标识符定义为一个字符串，该标识符被称为宏名，被定义的字符串称为替换文本。
该命令有两种格式：一种是简单的宏定义，另一种是带参数的宏定义。

(1)简单的宏定义：

1. #define <宏名>　　<字符串>
   
2. 例： #define PI 3.1415926

(2) 带参数的宏定义
 

1. #define <宏名> (<参数表>) <宏体>
   
2. 例： #define A(x) x

    一个标识符被宏定义后，该标识符便是一个宏名。这时，在程序中出现的是宏名，在该程序被编译前，先将宏名用被定义的字符串替换，这称为宏替换，替换后才进行编译， 宏替换是简单的替换。

1.2 宏替换发生的时机

    为了能够真正理解#define的作用，让我们来了解一下对C语言源程序的处理过程。当我们在一个集成的开发环境如Turbo C中将编写好的源程序进行编译时，实际经过了预处理、编译、汇编和连接几个过程。其中预处理器产生编译器的输出，它实现以下的功能：
（1） 文件包含
    可以把源程序中的#include 扩展为文件正文，即把包含的.h文件找到并展开到#include 所在处。
（2）条件编译
    预处理器根据#if和#ifdef等编译命令及其后的条件，将源程序中的某部分包含进来或排除在外，通常把排除在外的语句转换成空行。
（3）宏展开
    预处理器将源程序文件中出现的对宏的引用展开成相应的宏 定义，即本文所说的#define的功能，由预处理器来完成。
    经过预处理器处理的源程序与之前的源程序有所有不同， 在这个阶段所进行的工作只是纯粹的替换与展开，没有任何计算功能，所以在学习#define命令时只要能真正理解这一点，这样才不会对此命令引起误解并误用。

2　#define使用中的常见问题解析

2.1 简单宏定义使用中出现的问题

    在简单宏定义的使用中，当替换文本所表示的字符串为一个表达式时，容易引起误解和误用。如下例：
   

1. 例1 #define N 2+2
   
2. void main()
   
3. {
   
4.    int a=N*N;
   
5.    printf(“%d”,a);
   
6. }

     (1) 出现问题：

    在此程序中存在着宏定义命令，宏N代表的字符串是2+2，在程序中有对宏N的使用，一般同学在读该程序时，容易产生的问题是先求解N为2＋2＝4，然后在程序中计算a时使用乘法，即N*N=4*4=16, 其实该题的结果为8，为什么结果有这么大的偏差?

     (2) 问题解析：

    如1节所述， 宏展开是在预处理阶段完成的，这个阶段把替换文本只是看作一个字符串，并不会有任何的计算发生，在展开时是在宏N出现的地方 只是简单地使用串2＋2来代替N，并不会增添任何的符号，所以对该程序展开后的结果是a=2+2*2+2，计算后=8，这就是宏替换的实质，如何写程序才能完成结果为16的运算呢？

     (3)解决办法：

1. /*将宏定义写成如下形式*/
   
2. #define N (2+2)
   
3. /*这样就可替换成(2+2)*(2+2)=16*/

2.2 带参数的宏定义出现的问题

    在带参数的宏定义的使用中，极易引起误解。例如我们需要做个宏替换能求任何数的平方，这就需要使用参数，以便在程序中用实际参数来替换宏定义中的参数。一般学生容易写成如下形式：

1. #define area(x) x*x
   
2. /*这在使用中是很容易出现问题的，看如下的程序*/
   
3. 
   
4. void main()
   
5. {
   
6.     int y = area(2+2);
   
7.     printf(“%d”,y);
   
8. }

    按理说给的参数是2+2，所得的结果应该为4*4=16，但是错了，因为该程序的实际结果为8，仍然是没能遵循纯粹的简单替换的规则，又是先计算再替换 了， 在这道程序里，2+2即为area宏中的参数，应该由它来替换宏定义中的x，即替换成2+2*2+2=8了。那如果遵循(1)中的解决办法，把2+2 括起来，即把宏体中的x括起来，是否可以呢？#define area(x) (x)*(x)，对于area(2+2)，替换为(2+2)*(2+2)=16，可以解决， 但是对于area(2+2)/area(2+2)又会怎么样呢，有的学生一看到这道题马上给出结果，因为分子分母一样，又错了，还是忘了遵循先替换再计算的规则了，这道题替换后会变为 (2+2)*(2+2)/(2+2)*(2+2)即4*4/4*4按照乘除运算规则，结果为16/4*4=4*4=16，那应该怎么呢？解决方法是在整个宏体上再加一个括号，即 #define   area(x) ((x)*(x))， 不要觉得这没必要，没有它，是不行的。
    要想能够真正使用好宏定义，那么在读别人的程序时， 一定要记住先将程序中对宏的使用全部替换成它所代表的字符串，不要自作主张地添加任何其他符号，完全展开后再进行相应的计算，就不会写错运行结果。

     如果是自己编程使用宏替换，则在使用简单宏定义时，当字符串中不只一个符号时，加上括号表现出优先级，如果是带参数的宏定义，则要给宏体中的每个参数加上括号，并在整个宏体上再加一个括号。看到这里，不禁要问，用宏定义这么麻烦，这么容易出错，可不可以摒弃它， 那让我们来看一下在C语言中用宏定义的好处吧。

如：

1. #include <iostream.h>
   
2. #define product(x)    x*x
   
3. int main()
   
4. {
   
5.     int i=3;
   
6.     int j,k;
   
7.     j = product(i++);
   
8.     cout<<"j="<<j<<endl;
   
9.     cout<<"i="<<i<<endl;
   
10.     k = product(++i);
    
11.     cout<<"k="<<k<<endl;
    
12.     cout<<"i="<<i<<endl;
    
13.     return 0;
    
14. }

依次输出结果：

j=9;i=5;k=49;i=7（这个结果不太明白）

3 宏定义的优点

(1)   方便程序的修改

    使用简单宏定义可用宏代替一个在程序中经常使用的常量，这样在将该常量改变时，不用对整个程序进行修改，只修改宏定义的字符串即可，而且当常量比较长时， 我们可以用较短的有意义的标识符来写程序，这样更方便一些。我们所说的常量改变不是在程序运行期间改变，而是在编程期间的修改，举一个大家比较熟悉的例子，圆周率π是在数学上常用的一个值，有时我们会用3.14来表示，有时也会用3.1415926等，这要看计算所需要的精度，如果我们编制的一个程序中 要多次使用它，那么需要确定一个数值，在本次运行中不改变，但也许后来发现程序所表现的精度有变化，需要改变它的值， 这就需要修改程序中所有的相关数值，这会给我们带来一定的不便，但如果使用宏定义，使用一个标识符来代替，则在修改时只修改宏定义即可，还可以减少输入 3.1415926这样长的数值多次的情况，我们可以如此定义 #define   pi   3.1415926，既减少了输入又便于修改，何乐而不为呢？

(2) 提高程序的运行效率

    使用带参数的宏定义可完成函数调用的功能，又能减少 系统开销，提高运行效率。正如C语言中所讲，函数的使用可以使程序更加模块化，便于组织，而且可重复利用，但在发生函数调用时，需要保留调用函数的现场，以便子 函数执行结束后能返回继续执行，同样在子函数执行完后要恢复调用函数的现场，这都需要一定的时间，如果子函数执行的操作比较多，这种转换时间开销可以忽 略，但如果子函数完成的功能比较少，甚至于只完成一点操作，如一个乘法语句的操作，则这部分转换开销就相对较大了，但使用带参数的宏定义就不会出现这个问 题，因为它是在预处理阶段即进行了宏展开，在执行时不需要转换，即在当地执行。宏定义可完成简单的操作，但复杂的操作还是要由函数调用来完成，而且宏定义所占用的目标代码空间相对较大。所以在使用时要依据具体情况来决定是否使用宏定义。
4 结语

    本文对C语言中宏定义#define在使用时容易出现的问题进行了解析，并从C源程序处理过程的角度对#define的处理进行了分析，也对它的优点进行 了阐述。只要能够理解宏展开的规则，掌握使用宏定义时，是在预处理阶段对源程序进行替换，只是用对应的字符串替换程序中出现的宏名，这样就可在正确使用的 基础上充分享受使用宏定义带来的方便和效率了
二、define中的三个特殊符号：#，##，#@

1. #define Conn(x,y) x##y
   
2. #define ToChar(x) #@x
   
3. #define ToString(x) #x

(1)x##y表示什么？表示x连接y，举例说：

1. int n = Conn(123,456); /* 结果就是n=123456;*/
   
2. char* str = Conn("asdf", "adf"); /*结果就是 str = "asdfadf";*/

（2）再来看 #@x ，其实就是给x加上单引号，结果返回是一个const char。举例说：

char a = ToChar(1);结果就是a='1';
做个越界试验char a = ToChar(123);结果就错了;
但是如果你的参数超过四个字符，编译器就给给你报错了！

error C2015: too many characters in constant   ：P

(3）最后看看#x,估计你也明白了，他是给x加双引号

char* str = ToString(123132);就成了str="123132";

三、常用的一些宏定义

1 防止一个头文件被重复包含 

1. #ifndef BODYDEF_H 
   
2. #define BODYDEF_H 
   
3.  //头文件内容 
   
4. 
   
5. #endif

2 得到指定地址上的一个字节或字

1. #define MEM_B( x ) ( *( (byte *) (x) ) ) 
   
2. #define MEM_W( x ) ( *( (word *) (x) ) )

用法如下：

1. #include <iostream>
   
2. #include <windows.h>
   
3. 
   
4. #define MEM_B(x) (*((byte*)(x)))
   
5. #define MEM_W(x) (*((WORD*)(x)))
   
6. 
   
7. int main()
   
8. {
   
9.     int bTest = 0x123456;
   
10. 
    
11.     byte m = MEM_B((&bTest));/*m=0x56*/
    
12.     int n = MEM_W((&bTest));/*n=0x3456*/
    
13. 
    
14.     return 0;
    
15. }

3 得到一个field在结构体(struct)中的偏移量

1. #define OFFSETOF( type, field ) ( (size_t) &(( type *) 0)-> field )

     请参考文章：详解写宏定义：得到一个field在结构体（struct type）中的偏移量。

4 得到一个结构体中field所占用的字节数 

1. #define FSIZ( type, field ) sizeof( ((type *) 0)->field )

5 得到一个变量的地址（word宽度） 

1. #define B_PTR( var ) ( (byte *) (void *) &(var) ) 
   
2. #define W_PTR( var ) ( (word *) (void *) &(var) )

6 将一个字母转换为大写

1. #define UPCASE( c ) ( ((c) >= ''a'' && (c) <= ''z'') ? ((c) - 0x20) : (c) )

7 判断字符是不是10进值的数字

1. #define DECCHK( c ) ((c) >= ''0'' && (c) <= ''9'')

8 判断字符是不是16进值的数字 

1. #define HEXCHK( c ) ( ((c) >= ''0'' && (c) <= ''9'') ||((c) >= ''A'' && (c) <= ''F'') ||((c) >= ''a'' && (c) <= ''f'') )

9 防止溢出的一个方法

1. #define INC_SAT( val ) (val = ((val)+1 > (val)) ? (val)+1 : (val))

10 返回数组元素的个数 

1. #define ARR_SIZE( a ) ( sizeof( (a) ) / sizeof( (a[0]) ) )

11 使用一些宏跟踪调试

ANSI标准说明了五个预定义的宏名。它们是： 

1. _LINE_ /*(两个下划线)，对应%d*/
   
2. _FILE_ /*对应%s*/
   
3. _DATE_ /*对应%s*/
   
4. _TIME_ /*对应%s*/