16. 预处理器_C 语言教程

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。
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）。
```
#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。
```
#define HELLO "Hello, world"
// 相当于 printf("%s", "Hello, world");
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。#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。
```
#define OW "C programming language is invented \
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。
```
#define TWO 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。
```
#define TWO 2
// 输出 TWO
printf("TWO\n");
// 输出 22
const TWOs = 22;
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。
```
// 正确
#define FOO hello
#define FOO hello
// 报错
#define BAR hello
#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。
```
#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。
```
// 替换成 z = 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。
```
#define SQUARE(X) X*X
// 输出19
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（7*7）；宏是原样替换，所以替换成3 + 4*3 + 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。
```
#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。
```
#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。
```
#define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y))
#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。

#define PRINT_NUMS_TO_PRODUCT(a, b) { \
  int product = (a) * (b); \
  for (int i = 0; i < product; i++) { \
    printf("%d\n", i); \
  } \
}

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。

#define QUADP(a, b, c) ((-(b) + sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
#define QUADM(a, b, c) ((-(b) - sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
#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#。
```
#define STR(x) #x
// 等同于 printf("%s\n", "3.14159");
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。
```
#define XNAME(n) "x"#n
// 输出 x4
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。
```
#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。
```
int MK_ID(1), MK_ID(2), MK_ID(3);
// 替换成
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。
```
#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。
```
X(5, 4, 3.14, "Hi!", 12)
// 替换成
(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。
```
// 报错
#define WRONG(X, ..., Y) #X #__CA_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。
```
#define X(...) #__VA_ARGS__
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。
```
#define LIMIT 400
#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。
```
$ 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。

// 形式一
#include <foo.h> // 加载系统提供的文件
// 形式二
#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。
```
#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。
```
$ 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《 20. C语言的多文件项目》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。
```
#if 0
  const double pi = 3.1415; // 不会执行
#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...#end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。
```
#define FOO 1
#if FOO
  printf("defined\n");
#else
  printf("not defined\n");
#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。
```
#if HAPPY_FACTOR == 0
  printf("I'm not happy!\n");
#elif HAPPY_FACTOR == 1
  printf("I'm just regular\n");
#else
  printf("I'm extra happy!\n");
#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。
```
#define DEBUG 1
#if DEBUG
printf("value of i : %d\n", i);
printf("value of j : %d\n", j);
#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。
```
$ 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。
```
#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。
```
#ifdef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm extra happy!\n");
#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。
```
#ifdef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm extra happy!\n");
#else
  printf("I'm just regular\n");
#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。
```
#ifdef MAVIS
  #include "foo.h"
  #define STABLES 1
#else
  #include "bar.h"
  #define STABLES 2
#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。
```
#ifdef FOO
// 等同于
#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。
```
#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。

#if defined IBMPC
  #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。

#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。
```
#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。
```
#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。#ifndef等同于#if !defined。
```
#ifndef FOO
// 等同于
#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。

#include <stdio.h>
int main(void) {
  printf("This function: %s\n", __func__);
  printf("This file: %s\n", __FILE__);
  printf("This line: %d\n", __LINE__);
  printf("Compiled on: %s %s\n", __DATE__, __TIME__);
  printf("C Version: %ld\n", __STDC_VERSION__);
}
/* 输出如下
This function: main
This file: test.c
This line: 7
Compiled on: Mar 29 2021 19:19:37
C Version: 201710
*/

#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。
```
// 将下一行的行号重置为 300
#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。
```
#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。
```
#if __STDC_VERSION__ != 201112L
  #error Not C11
#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。
```
$ gcc -std=c99 newish.c
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。
```
#if INT_MAX < 100000
  #error int type is too small
#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。
```
#if defined WIN32
  // ...
#elif defined MAC_OS
  // ...
#elif defined LINUX
  // ...
#else
  #error NOT support the operating system
#endif
```

#pragma

#pragma指令用来修改编译器属性。
```
// 使用 C99 标准
#pragma c9x on
```
上面示例让编译器以 C99 标准进行编译。

下一节：C 语言提供了一些函数，用于与外部设备通信，称为输入输出函数，简称 I/O 函数。输入（import）指的是获取外部数据，输出（export）指的是向外部传递数据。