预处理详解

Nullmian

发布于 2025-12-24 15:10:13

预定义符号

C语言提供了一些预定义符号，这些符号在预处理期间被处理。

常见预定义符号

__FILE__    // 进行编译的源文件
__LINE__    // 文件当前的行号
__DATE__    // 文件被编译的日期
__TIME__    // 文件被编译的时间
__STDC__    // 如果编译器遵循ANSI-C，其值为 1，否则未定义

使用示例

printf("file:%s line:%d\n", __FILE__, __LINE__);

#define 定义常量

这是我们平时最常见到的#define的用法

基本语法

#define name stuff

命名规范： 宏定义的标识符通常全部大写。

使用示例：

#define MAX 1000              // 宏定义一个值为1000的常量MAX
#define REG register          // 将关键词register重命名为REG
#define DO_FOREVER for(;;)    // 用更形象的符号来替换一种实现
#define CASE break; case 	  // 写case语句时，自动补充break（不推荐应用，就是个示例）

// 如果定义的 stuff过长，可以分成几行写，除了最后一行外，每行的后面都加一个反斜杠（续航符）
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t   \
							date:%s\ttime:%s\n" ,\
							__FILE__, __LINE__ , \
							__DATE__, __TIME__ )

分号使用问题

在#define定义标识符时，是否需要在最后加上;？

#define MAX 1000;
#define MAX 1000

建议：不要在#define定义末尾添加;，这样容易导致问题。

问题示例：

if(condition)
    max = MAX;  // 替换后：max = 1000;;
else            // 语法错误：if和else之间有多条语句
    max = 0;

#define 定义宏

#define机制包括了一个规定，允许把参数替换到文本中，这种实现通常称为宏（macro）或定义宏（define macro）

基本语法

#define name(parament-list) stuff

其中的parament-list是一个由逗号隔开的符号表，它们可能出现在stuff中

注意：参数列表的左括号必须与name紧邻，任何空白都会导致参数列表被解释为stuff的一部分

宏定义中的括号问题

案例1：平方宏

#define SQUARE(x) x * x

// 问题代码
printf("%d\n", SQUARE(5 + 1));  // 输出11而非36
// 替换后：5 + 1 * 5 + 1 = 5 + 5 + 1 = 11

// 解决方案
#define SQUARE(x) (x) * (x)     // 为参数添加括号

建议：宏定义一般用于实现简单算法，而复杂一点的算法最好用函数解决

案例2：双倍宏

#define DOUBLE(x) (x) + (x)

// 问题代码
printf("%d\n", 10 * DOUBLE(5));  // 输出55而非100
// 替换后：10 * (5) + (5) = 50 + 5 = 55

// 解决方案
#define DOUBLE(x) ((x) + (x))    // 为整个表达式添加括号

最佳实践： 对数值表达式进行求值的宏定义，应该为每个参数和整个表达式都加上括号。

带有副作用的宏参数

当宏参数在宏定义的定义中出现超过一次的时候，如果参数带有副作用，那么你在使用这个宏的时候就可能出现危险，导致不可预测的后果。

副作用示例

x+1; // 不带副作用
x++; //带有副作用

副作用定义： 表达式求值时出现的永久性效果。

问题示例

MAX宏可以证明具有副作用的参数所引起的问题

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

int x = 5, y = 8;
int z = MAX(x++, y++);

// 替换结果：
// z = ((x++) > (y++) ? (x++) : (y++));
// 输出：x=6 y=10 z=9

宏替换的规则

调用宏时，首先检查参数是否包含任何由#define定义的符号，如果是则首先被替换
替换文本插入到程序中原来文本的位置；对于宏，参数名被它们的值所替换
再次扫描结果文件，检查是否包含任何由#define定义的符号，如果是，就重复上述处理过程。

注意事项：

宏参数和#define定义中可以出现其他#define定义的符号，但不能递归
预处理器不会搜索字符串常量中的宏符号

宏与函数的对比

宏通常被应用于执行简单的运算。比如：在两个数中找出较大的一个时，写成下面的宏，更有优势一些

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

和宏相比函数的劣势

用于调用函数和从函数返回的代码可能比实际执行这个小型计算工作所需的时间更多。所以宏比函数在程序给规模和速度方面更胜一筹
更为重要的是函数的参数必须声明为特定的类型。所以函数只能在类型合适的表达式上使用。反正这个宏则可以适用于整型、浮点型等可以用>来比较的类型。宏的参数是类型无关的

和函数相比宏的劣势

每次使用宏的时候，一份定义的代码将插入到程序中。除非宏比较短，否则可能大幅度增加程序的长度
宏是没法调试的
宏的参数是类型无关的，所以也就不够严谨
宏可能会带来运算符优先级的问题，容易导致程序出现错误。

特殊应用场景

宏有时候可以做函数做不到的事情。比如：宏的参数可以出现类型，但是函数做不到

#define MALLOC(num, type)\
    (type)malloc(num sizeof(type))
...
// 使用
MALLOC(10, int); // 类型作为参数

// 预处理器替换之后
(int *)malloc(10, sizeof(int));

宏与函数对比总结

补充：C++中有个内联函数inline，同时具备了函数和宏的特点

# 和

这两个运算符在实际工程中很少用到，所以大家对其有所了解就行

# 运算符（字符串化）

将宏参数转换为字符串字面量。

#define PRINT(n, format) printf("the value of " #n " is " format "\n", n)

int a = 10;
PRINT(a, "%d");
// 替换后：printf("the value of " "a" " is %d\n", a);
// 输出：the value of a is 10

注意：#仅允许出现在带参数的宏的替换列表中

##运算符（记号粘合）

##可以把位于它两边的符号合成一个标识符，它允许宏定义从未分离的文本片段创建标识符。

注意：这样的连接必须产生一个合法的标识符。否则其结果就是未定义的

使用情景

这里我们想想，写一个函数求2个数的较大值的时候，不同的数据类型就得写不同的函数

int int_max(int x, int y)
{
    return (x > y ? x : y);
}

double double_max(double x, double y)
{
     return (x > y ? x : y);
}

但是这样写起来太繁琐了，现在我们这样写代码试试：

// 宏定义一个函数模板
#define GENERIC_MAX(type)      \
type type##_max(type x, type y)\
{                              \
    return (x > y ? x : y);    \
}

GENERIC_MAX(int)   // 替换到宏体内后int##_max ⽣成了新的符号 int_max做函数名
GENERIC_MAX(float) // 替换到宏体内后float##_max ⽣成了新的符号 float_max做函数名
 
int main()
{
    //调⽤函数
    int m = int_max(2, 3);
    printf("%d\n", m);
  
    float fm = float_max(3.5f, 4.5f);
    printf("%f\n", fm);
  
    return 0;
}

// 输出：
// 3
// 4.500000

在实际开发过程中##很少用到，很难找到非常贴切的例子

补充：对于以上情景，C++中的解决方案有运算符重载

命名约定

一般来讲函数和宏的使用语法很相似，所以语言本身没法帮我们区分二者。

通用规范：

把宏名全部大写
函数名不要全部大写

#undef 指令

用于移除一个宏定义

#undef NAME

使用场景： 需要重新定义已存在的宏时，需要先移除旧定义。

命令行定义

许多C的编译器提供了一种能力，允许在命令行中定义符号。用于启动编译过程。例如：当我们根据同一个源文件要编译出一个程序的不同版本的时候，这个特性有点用处。（假定某个程序中声明了一个某个长度的数组，如果机器内存有限，我们需要一个很小单独数组，但是另外一个机器内存大些，我们需要一个数组能够大些）

#include <stdio.h>

int main()
{
     int array [SIZE]; // SIZE未定义
     
     for(int i = 0; i< SIZE; i ++)
     {
         array[i] = i;
     }
  
     for(int i = 0; i< SIZE; i ++)
     {
         printf("%d " ,array[i]);
     }
  
     printf("\n" );
  
     return 0
}

编译指令：

gcc -D SIZE=10 test.c

条件编译

在编译一个程序的时候我们如果要将一条语句（一组语句）编译或者放弃是很方便的，因为我们有条件编译指令

基本形式

// 1. 单分支
#if 常量表达式
    // ...
#endif

// 2. 多分支
#if 常量表达式
    // ...
#elif 常量表达式
    // ...
#else
    // ...
#endif

// 3. 判断是否定义
#if defined(symbol)  // 或 #ifdef symbol
    // ...
#endif

#if !defined(symbol) // 或 #ifndef symbol
    // ...
#endif

实际应用

调试性的代码，删除可惜，保留又碍事，此时我们就可以使用条件编译

#include <stdio.h>

#define __DEBUG__

int main()
{
    int arr[10] = {0);
    for(int i = 0; i < 10; i++)
    {
          arr[i] = i;
          
          #ifdef __DEBUG__
              printf("%d\n", arr[i]); // 为了观察数组是否赋值成功
          #endif // __DEBUG__
    }
    
    return 0;
}

嵌套条件编译

#if defined(OS_UNIX)
    #ifdef OPTION1
        unix_version_option1();
    #endif
    #ifdef OPTION2
        unix_version_option2();
    #endif
#elif defined(OS_MSDOS)
    #ifdef OPTION2
        msdos_version_option2();
    #endif
#endif

头文件的包含

包含方式对比

方式	语法	查找策略
本地文件包含	#include "filename.h"	1. 源文件所在目录

标准系统目录
还找不到就提示编译错误| |库文件包含|#include <filename.h>|1. 直接搜索标准系统目录
没找到直接提示编译错误|

注意： 虽然库文件也可以用""包含，但不推荐，因为会降低查找效率，也不利于区分库文件和本地文件。

嵌套文件包含

问题情景

我们已经了解，#include指令会使被包含文件的内容在预处理阶段被完整地插入到指令位置。这种简单的文本替换机制会导致一个严重问题：头文件被多次包含时，其内容会被多次拷贝到源文件中。

void test();

struct Stu
{
    int id;
    char name[20];
};

#include "test.c"
#include "test.c"

int main()
{
    return 0;
}

如果直接这样写，test.c文件中将test.h包含2次，那么test.h文件的内容将会在test.c中被拷贝2次

// 第一次包含 test.h 的内容
void test();
struct Stu 
{
    int id;
    char name[50];
};

// 第二次包含 test.h 的内容（重复！）
void test();
struct Stu  
{
    int id;
    char name[50];
};

int main() 
{
    return 0;
}

如果test.h文件比较大，这样预处理后代码量会剧增。如果工程比较大，有公共使用的头文件，如何解决头文件被重复引入的问题？答案：条件编译

解决方案

方案一：条件编译保护（传统方法）

每个头文件开头写：

#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__

// 头文件内容（声明）

#endif

工作原理：

第一次包含时，__TEST_H__未定义，执行#define __TEST_H__并包含内容
后续包含时，__TEST_H__已定义，跳过整个头文件内容

方案二：#pragma once（现代方法）

#pragma once

两种方案对比

特性	#ifndef/#define/#endif	#pragma once
标准性	符合所有C标准	编译器扩展，非标准但广泛支持
可靠性	绝对可靠	在绝大多数情况下可靠
编译性能	每次都需要打开文件检查	编译器可能优化，性能更好
使用便利性	需要唯一宏名称	简单直接
宏名称冲突	可能发生	不会发生

其他预处理指令

#error
#pragma
#line
...
这里不做过多介绍，感兴趣的可以自己去了解。

特定应用：#pragma pack()在结构体内存对齐中使用。

重点笔试题

头文件中的 ifndef/define/endif 是干什么用的？

防止头文件被重复包含，避免重复定义错误

#include <filename.h> 和 #include "filename.h" 有什么区别？

#include <filename.h>：直接搜索标准系统目录
#include "filename.h"：先搜索当前目录，再搜索标准系统目录