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C 预处理器

C 预处理器(CPP)是编译过程中的独立阶段，在实际编译前对源代码进行文本处理。主要功能包括：

  • 宏展开
  • 文件包含
  • 条件编译
  • 特殊指令处理

C 预处理器不是编译器的组成部分，但是它是编译过程中一个单独的步骤。

简言之，C 预处理器只不过是一个文本替换工具而已，它们会指示编译器在实际编译之前完成所需的预处理。

我们将把 C 预处理器（C Preprocessor）简写为 CPP。

所有的预处理器命令都是以井号 # 开头。它必须是第一个非空字符，为了增强可读性，预处理器指令应从第一列开始。

下面列出了所有重要的预处理器指令：

指令 描述 使用示例
#define 定义宏（符号常量或函数式宏） #define PI 3.14159
#define MAX(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#include 包含头文件 #include <stdio.h>
#include "myheader.h"
#undef 取消已定义的宏 #undef PI
#ifdef 如果宏已定义则编译后续代码 #ifdef DEBUG
printf("Debug info\n");
#endif
#ifndef 如果宏未定义则编译后续代码（常用于头文件保护） #ifndef HEADER_H
#define HEADER_H
/* 内容 */
#endif
#if 条件编译（可配合defined操作符使用） #if VERSION > 2
/* 新版代码 */
#endif
#else #if/#ifdef/#ifndef的替代分支 #ifdef WIN32
/* Windows代码 */
#else
/* 其他系统 */
#endif
#elif 类似于else if #if defined(UNIX)
/* Unix代码 */
#elif defined(WIN32)
/* Windows代码 */
#endif
#endif 结束条件编译块 如上例所示
#error 产生编译错误并输出消息 #if !defined(C99)
#error "需要C99标准"
#endif
#pragma 编译器特定指令（非标准，各编译器不同） #pragma once
#pragma pack(1)

预处理器实例

分析下面的实例来理解不同的指令。

#define MAX_ARRAY_LENGTH 20

这个指令告诉 CPP 把所有的 MAX_ARRAY_LENGTH 定义为 20。使用 #define 定义常量来增强可读性。

#include <stdio.h>
#include "myheader.h"

这些指令告诉 CPP 从系统库中获取 stdio.h，并添加文本到当前的源文件中。下一行告诉 CPP 从本地目录中获取 myheader.h，并添加内容到当前的源文件中。

#undef  FILE_SIZE
#define FILE_SIZE 42

这个指令告诉 CPP 取消已定义的 FILE_SIZE，并定义它为 42。

#ifndef MESSAGE
   #define MESSAGE "You wish!"
#endif

这个指令告诉 CPP 只有当 MESSAGE 未定义时，才定义 MESSAGE。

#ifdef DEBUG
   /* Your debugging statements here */
#endif

这个指令告诉 CPP 如果定义了 DEBUG，则执行处理语句。在编译时，如果您向 gcc 编译器传递了 -DDEBUG 开关量，这个指令就非常有用。它定义了 DEBUG，您可以在编译期间随时开启或关闭调试。

实例

#include <stdio.h>

// 定义常量宏
#define PI 3.1415926
#define GREETING "Hello, World!"

// 定义函数式宏（注意括号的使用）
#define SQUARE(x) ((x) * (x))
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

// 条件编译示例
#define DEBUG 1

int main() {
    // 使用常量宏
    printf("PI的值: %f\n", PI);
    printf("%s\n", GREETING);
   
    // 使用函数式宏
    int x = 5;
    printf("%d的平方是: %d\n", x, SQUARE(x));
    printf("3和5中较大的数是: %d\n", MAX(3, 5));
   
    // 条件编译示例
    #ifdef DEBUG
    printf("[调试信息] 程序运行到main函数\n");
    #endif
   
    // 编译器版本检查
    #if __STDC_VERSION__ >= 201112L
    printf("使用C11标准\n");
    #elif __STDC_VERSION__ >= 199901L
    printf("使用C99标准\n");
    #else
    printf("使用C89/C90标准\n");
    #endif
   
    // 错误指令示例（取消注释将导致编译错误）
    // #error "这是一个手动触发的错误"
   
    return 0;
}

最佳实践建议

  1. 宏命名：

    • 使用全大写字母和下划线命名宏
    • 示例：#define MAX_SIZE 100

  2. 函数式宏注意事项：

    • 每个参数和整个表达式都要用括号括起来
    • 避免使用有副作用的参数（如SQUARE(x++)）

  3. 头文件保护：

    #ifndef MY_HEADER_H
#define MY_HEADER_H
/* 头文件内容 */
#endif

  4. 条件编译调试：

    #ifdef DEBUG
#define DEBUG_PRINT(fmt, ...) printf(fmt, ##__VA_ARGS__)
#else
#define DEBUG_PRINT(fmt, ...)
#endif

  5. 跨平台开发：

    #if defined(_WIN32)
// Windows特定代码
#elif defined(__linux__)
// Linux特定代码
#elif defined(__APPLE__)
// macOS特定代码
#endif

预定义宏

ANSI C 定义了许多宏。在编程中您可以使用这些宏，但是不能直接修改这些预定义的宏。

宏描述
__DATE__当前日期，一个以 "MMM DD YYYY" 格式表示的字符常量。
__TIME__当前时间，一个以 "HH:MM:SS" 格式表示的字符常量。
__FILE__这会包含当前文件名，一个字符串常量。
__LINE__这会包含当前行号，一个十进制常量。
__STDC__当编译器以 ANSI 标准编译时，则定义为 1。

让我们来尝试下面的实例：

实例

#include <stdio.h> /* * 预定义宏演示程序 * 展示ANSI C标准中常用的预定义宏及其用途 */ int main() { // 打印当前源文件名（字符串常量） printf("当前文件: %s\n", __FILE__); // 打印编译日期（"MMM DD YYYY"格式） printf("编译日期: %s\n", __DATE__); // 打印编译时间（"HH:MM:SS"格式） printf("编译时间: %s\n", __TIME__); // 打印当前行号（十进制整数） printf("当前行号: %d\n", __LINE__); // 检查是否符合ANSI/ISO标准（1表示符合） printf("ANSI标准: %d\n", __STDC__); // 实用示例：调试信息输出 printf("\n[调试信息] %s (第%d行) 编译于 %s %s\n", __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__); return 0; }

当上面的代码（在文件 test.c 中）被编译和执行时，它会产生下列结果：

当前文件: predef_macros.c
编译日期: Jul 5 2023
编译时间: 14:30:45
当前行号: 13
ANSI标准: 1

[调试信息] predef_macros.c (第16行) 编译于 Jul 5 2023 14:30:45

预处理器运算符

C 预处理器提供了下列的运算符来帮助您创建宏：

宏延续运算符（\）

一个宏通常写在一个单行上。但是如果宏太长，一个单行容纳不下，则使用宏延续运算符（\）。例如：

#define  message_for(a, b)  \
    printf(#a " and " #b ": We love you!\n")
字符串常量化运算符（#）

在宏定义中，当需要把一个宏的参数转换为字符串常量时，则使用字符串常量化运算符（#）。在宏中使用的该运算符有一个特定的参数或参数列表。例如：

实例

#include <stdio.h> #define message_for(a, b) \ printf(#a " and " #b ": We love you!\n") int main(void) { message_for(Carole, Debra); return 0; }

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Carole and Debra: We love you!

标记粘贴运算符（##）

宏定义内的标记粘贴运算符（##）会合并两个参数。它允许在宏定义中两个独立的标记被合并为一个标记。例如：

实例

#include <stdio.h> #define tokenpaster(n) printf ("token" #n " = %d", token##n) int main(void) { int token34 = 40; tokenpaster(34); return 0; }

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

token34 = 40

这是怎么发生的，因为这个实例会从编译器产生下列的实际输出：

printf ("token34 = %d", token34);

这个实例演示了 token##n 会连接到 token34 中，在这里，我们使用了字符串常量化运算符（#）和标记粘贴运算符（##）。

defined() 运算符

预处理器 defined 运算符是用在常量表达式中的，用来确定一个标识符是否已经使用 #define 定义过。如果指定的标识符已定义，则值为真（非零）。如果指定的标识符未定义，则值为假（零）。下面的实例演示了 defined() 运算符的用法：

实例

#include <stdio.h> #if !defined (MESSAGE) #define MESSAGE "You wish!" #endif int main(void) { printf("Here is the message: %s\n", MESSAGE); return 0; }

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Here is the message: You wish!

参数化的宏

CPP 一个强大的功能是可以使用参数化的宏来模拟函数。例如，下面的代码是计算一个数的平方：

int square(int x) {
   return x * x;
}

我们可以使用宏重写上面的代码，如下：

#define square(x) ((x) * (x))

在使用带有参数的宏之前，必须使用 #define 指令定义。参数列表是括在圆括号内，且必须紧跟在宏名称的后边。宏名称和左圆括号之间不允许有空格。例如：

实例

#include <stdio.h> #define MAX(x,y) ((x) > (y) ? (x) : (y)) int main(void) { printf("Max between 20 and 10 is %d\n", MAX(10, 20)); return 0; }

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Max between 20 and 10 is 20
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