【说在前面的话】
有人说C语言中最臭名昭著的两兄弟就是指针和宏了。对于前者,很多有经验的老鸟会告诉你:用好了指针你就掌握了C语言的内功心法——如同原力一样,无论是追随光明还是堕入黑暗都离不开它。宏就没这么幸运了,不光年年受到邪恶的混乱C语言大赛的肆意霸凌(https://www.ioccc.org/),更是让“让代码爹妈都不认识”的身份标签贴到了骨头上——怎一个惨字了得。
这个系列将本着实用的原则介绍一些宏在模块封装中“点石成金”的用法,让大家正确认识到宏真实的作用和使用规则——真真正正还“宏”一个公道。
【"##"的“表”用法】
想必很多人都知道"##"的用法——它本质上是一个“胶水运算”,用于把参数宏中的“形参”与其它没有天然分割的内容粘连在一起,例如:
#define def_u32_array(__name, __size) uint32_t array_##__name[__size];
实际中,我们可以这样使用:
def_u32_array(sample_buffer, 64)
宏展开的效果是:
uint32_t array_sample_buffer[64];
可以看到,"array__"与形参“__name”是没有天然分割的,因此要想将"array_"与"__name"所代表的内容(而不是__name本身)粘连在一起,就需要“##”运算的帮助。另一方面,"__name"与"["是具有天然分隔的——编译器不会认为"__name"与"["是连接在一起的,因此这里并不需要画蛇添足的使用"##"运算——如果你这么做了,预编译器会毫不犹豫的告诉你语法错误。——这是"##"运算的普通用法,在过去转载的文章《C语言#和##连接符在项目中的应用(漂亮)》中也有详细介绍,这里就不再赘述。
【"##"的官方“里”用法】
“##”还有一个很少为人所知的“里”用法,在介绍它之前,不得不首先说说由ANSI-C99标准引入的另外一个参数宏扩展——可变参数宏。举个例子:
#define safe_atom_code(...) \
{ \
uint32_t int_flag = __disable_irq(); \
__VA_ARGS__ \
__set_PRIMASK(int_flag); \
}
这里定义了一个宏"safe_atom_code()",在括号内,无论你填写任何内容,都会被无条件的放置到“__VA_ARGS__”所在的位置,你可以认为括号里的“...”实际上就是对应"__VA_ARGS__"。比如,我们可以写下这样的代码:
/**
\fn void wr_dat (uint16_t dat)
\brief Write data to the LCD controller
\param[in] dat Data to write
*/
static __inline void wr_dat (uint_fast16_t dat)
{
safe_atom_code(
LCD_CS(0);
GLCD_PORT->DAT = (dat >> 8); /* Write D8..D15 */
GLCD_PORT->DAT = (dat & 0xFF); /* Write D0..D7 */
LCD_CS(1);
)
}
这个代码确保在向寄存器GCLD_PORT->DAT写入数据时不会被其它中断打断。
聪明的你也许很快就会提出这样的问题,上述宏跟下面的写法有什么区别呢?
#define safe_atom_code(__CODE) \
{ \
uint32_t int_flag = __disable_irq(); \
__CODE \
__set_PRIMASK(int_flag); \
}
你不仅提出了问题,甚至还实际测试了下,似乎完全等效,“根本没差别嘛!”——你惊呼道。然而,事实上并没有那么简单:
可变参数宏的引入就解决了这个问题:
回头再来看前面的问题,
#define safe_atom_code(...)
与
#define safe_atom_code(__CODE)
的差别在于,前者括号里可以放包括","在内的几乎任意内容;而后者则完全不能容忍逗号的存在——比如你调用了一个函数,函数的参数要用到都好隔开吧?再比如,你用到了逗号表达式……——想想都很酸爽。
其实,可变参数列表最初诞生的原因之一是为了解决与C函数的可变参数(va_args)配合使用的问题,例如:
#define log_info(__STRING, ...) printf(__STRING, __VA_ARGS__)
因此,使用的时候,我们可以这样写:
log_info("------------------------------------\r\n");
log_info(" Cycle Count : %d", total_cycle_cnt);
宏展开后实际上对应于:
printf("------------------------------------\r\n",);
printf(" Cycle Count : %d", total_cycle_cnt);
看似没有问题,注意到一个细节没有?在第一个printf()的最后多了一个","。虽然有些编译器,例如GCC并不会计较(也许就是一个warning),但对于广大洁癖严重的处女座程序员来说,这怎么能忍,于是在ANSI-C99标准引入可变参数宏的时候,又贴心了加了一个不那么起眼的语法:当下面的组合出现时 ",##__VA_ARGS__",如果__VA_ARGS__是一个空字符串,则前面的","会一并被删除掉。因此,上面的宏可以改写为:
#define log_info(__STRING, ...) printf(__STRING,##__VA_ARGS__)
此时,前面的代码会被展开为:
printf("------------------------------------\r\n");
printf(" Cycle Count : %d", total_cycle_cnt);
处女座表示,这次可以安心睡觉了。
如果说这就是99%的C程序员都不知道的"##"隐藏用法,未免太对不起观众了,实际上本文的正片才刚刚开始。
【正文:"##"的骚操作】
逗号表达式,一直关注公众号的朋友们想必都很熟悉——之前转载的文章《【C进阶】听说用 “ 逗号表达式 ” 仅仅为了秀技?》已经说的非常详细了,这里就不再赘述。简单说,就是逗号表达式中,逗号的最右边将作为表达式真正的返回值。
结合前面关于",##__VA_ARGS__"用法的介绍,你们有没有意识到,其实这里的逗号不光可以是参数列表的分隔符,还可以是逗号表达式的运算符。结合__VA_ARGS__的特性,我们可以写出类似这样的宏:
#define EXAMPLE(...) ( 默认值 ,##__VA_ARGS__)
它有两种使用情况情况:
EXAMPLE();
被展开为:
( 默认值 )
EXAMPLE(我们提供的值);
被展开为:
( 默认值, 我们提供的值 )
根据逗号表达式的特性,此时,默认值会被丢弃掉(有些编译器会报告表达式无效的warning,这是正常的,因为编译器注意到“默认值”所代表的表达式实际上被丢弃了,它觉得我们写了一个无用的表达式)。
这个技巧其实对API的封装特别有效:它允许我们简化函数API的使用,比如在用户忽略的情况下,自动给函数填充某些默认值,而在用户主动提供参数的情况下,替代那些默认值。这里我举两个现实中的例子:
假设我们有一个初始化函数,初始化函数允许用户通过结构体来配置一些参数:
typedef struct xxxx_cfg_t {
...
} xxxx_cfg_t;
int xxxx_init(xxxx_cfg_t *cfg_ptr);
为了简化用户的配置过程,初始化函数会检查指针cfg_ptr是否为NULL,如果为NULL则自动使用默认配置,反之将使用用户定义的配置。此时,我们可以通过宏来提供默认值NULL:
#define XXXX_INIT(...) xxxx_init((NULL,##__VA_ARGS__))
有些消息处理函数可以批量的处理某一类消息,而具体选中了哪些消息类别,则通常由二进制掩码来表示,例如:
typedef struct msg_t msg_t;
struct {
uint16_t msg;
uint16_t mask;
int (*handler)(msg_t *msg_ptr);
} msg_t;
此时我们完全可以借助宏来构建一套语法糖:
#define def_msg_map(__name, ...) \
const msg_t __name[] = {__VA_ARGS__};
#define add_msg(__msg, __handler, ...) \
{ \
.msg = (__msg), \
.handler = &(__handler), \
.msk = (0xFFFF, ##__VA_ARGS__), \
}
通过宏 add_msg 我们注意到,当用户刻意省略设置msk时,我们就给出默认值 0xFFFF——这很可能表示,在进行消息处理的时候,消息必须严格匹配才能交给对应的处理函数;当用户指定 msk 时,则可能表示某一类消息都交给同一个消息处理函数来处理。例如:
/*! \note 高字节表示操作的类别:
比如0x00表示控制类,0x01表示WRITE,0x02表示READ
*/
enum {
SIGN_UP = 0x0001,
WRITE_MEM = 0x0100,
WRITE_SRAM = 0x0101,
WRITE_FLASH = 0x0102,
WRITE_EEPROM = 0x0103,
READ_MEM = 0x0200,
READ_SRAM = 0x0201,
READ_FLASH = 0x0202,
READ_EEPROM = 0x0203,
};
extern int iap_sign_up_handler(msg_t *msg_ptr);
extern int iap_write_mem(msg_t *msg_ptr);
extern int iap_read_mem(msg_t *msg_ptr);
def_msg_map( iap_message_map
/* 严格的将 SIGN_UP 映射到 对应的处理函数中 */
add_msg( SIGN_UP, iap_sign_up_handler ),
/* 批量处理所有的WRITE操作,使用掩码进行过滤*/
add_msg( WRITE_MEM, iap_write_mem, 0xFF00 ),
/* 批量处理所有的READ操作,使用掩码进行过滤 */
add_msg( READ_MEM, iap_read_mem, 0xFF00 ),
)
【结语】
宏不是阻碍代码开发和可读性的魔鬼,对自己不熟悉知识的傲慢才是。