1. 预处理的步骤 请点评
现在我们全面了解一下C编译器做语法解析之前的预处理步骤：
1、把第 2 节 “常量”提到过的三连符替换成相应的单字符。
2、把用\字符续行的多行代码接成一行。例如：
#define STR "hello, "\ "world"
经过这个预处理步骤之后接成一行：
#define STR "hello, " "world"
这种续行的写法要求\后面紧跟换行，中间不能有其它空白字符。
3、把注释（不管是单行注释还是多行注释）都替换成一个空格。
4、经过以上两步之后去掉了一些换行，有的换行在续行过程中去掉了，有的换行在多行注释之中，也随着注释一起去掉了，剩下的代码行称为逻辑代码行。然后预处理器把逻辑代码行划分成Token和空白字符，这时的Token称为预处理Token，包括标识符、整数常量、浮点数常量、字符常量、字符串、运算符和其它符号。继续上面的例子，两个源代码行被接成一个逻辑代码行，然后这个逻辑代码行被划分成Token和空白字符：#，define，空格，STR，空格，"hello, "，Tab，Tab，"world"。
5、在Token中识别出预处理指示，做相应的预处理动作，如果遇到#include预处理指示，则把相应的源文件包含进来，并对源文件做以上1-4步预处理。如果遇到宏定义则做宏展开。
我们早在第 2 节 “数组应用实例：统计随机数”就认识了预处理指示这个概念，现在给出它的严格定义。一条预处理指示由一个逻辑代码行组成，以#开头，后面跟若干个预处理Token，在预处理指示中允许使用的空白字符只有空格和Tab。
6、找出字符常量或字符串中的转义序列，用相应的字节来替换它，比如把\n替换成字节0x0a。
7、把相邻的字符串连接起来。继续上面的例子，如果代码中有：
printf( STR);
经过第4步处理划分成以下Token：printf，(，换行，Tab，STR，)，;，换行。经过第5步宏展开后变成以下Token：printf，(，换行，Tab，"hello, "，Tab，Tab，"world"，)，;，换行。然后把相邻的字符串连接起来，变成以下Token：printf，(，换行，Tab，"hello, world"，)，;，换行。
8、经过以上处理之后，把空白字符丢掉，把Token交给C编译器做语法解析，这时就不再是预处理Token，而称为C Token了。这里丢掉的空白字符包括空格、换行、水平Tab、垂直Tab、分页符。继续上面的例子，最后交给C编译器做语法解析的Token是：printf，(，"hello, world"，)，;。注意，把一个预处理指示写成多行要用\续行，因为根据定义，一条预处理指示只能由一个逻辑代码行组成，而把C代码写成多行则不需要用\续行，因为换行在C代码中只不过是一种空白字符，在做语法解析时所有空白字符都已经丢掉了。
2. 宏定义 请点评
较大的项目都会用大量的宏定义来组织代码，你可以看看/usr/include下面的头文件中用了多少个宏定义。看起来宏展开就是做个替换而已，其实里面有比较复杂的规则，C语言有很多复杂但不常用的语法规则本书并不涉及，但有关宏展开的语法规则本节却力图做全面讲解，因为它很重要也很常用。
2.1. 函数式宏定义 请点评
以前我们用过的#define N 20或#define STR "hello, world"这种宏定义可以称为变量式宏定义（Object-like Macro），宏定义名可以像变量一样在代码中使用。另外一种宏定义可以像函数调用一样在代码中使用，称为函数式宏定义（Function-like Macro）。例如编辑一个文件main.c：
#define MAX(a, b) ((a)>(b)?(a):(b)) k = MAX(i&0x0f, j&0x0f)
我们想看第二行的表达式展开成什么样，可以用gcc的-E选项或cpp命令，尽管这个C程序不合语法，但没关系，我们只做预处理而不编译，不会检查程序是否符合C语法。
$ cpp main.c # 1 "main.c" # 1 "<built-in>" # 1 "<command-line>" # 1 "main.c" k = ((i&0x0f)>(j&0x0f)?(i&0x0f):(j&0x0f))
就像函数调用一样，把两个实参分别替换到宏定义中形参a和b的位置。注意这种函数式宏定义和真正的函数调用有什么不同：
1、函数式宏定义的参数没有类型，预处理器只负责做形式上的替换，而不做参数类型检查，所以传参时要格外小心。
2、调用真正函数的代码和调用函数式宏定义的代码编译生成的指令不同。如果MAX是个真正的函数，那么它的函数体return a > b ? a : b;要编译生成指令，代码中出现的每次调用也要编译生成传参指令和call指令。而如果MAX是个函数式宏定义，这个宏定义本身倒不必编译生成指令，但是代码中出现的每次调用编译生成的指令都相当于一个函数体，而不是简单的几条传参指令和call指令。所以，使用函数式宏定义编译生成的目标文件会比较大。
3、定义这种宏要格外小心，如果上面的定义写成#define MAX(a, b) (a>b?a:b)，省去内层括号，则宏展开就成了k = (i&0x0f>j&0x0f?i&0x0f:j&0x0f)，运算的优先级就错了。同样道理，这个宏定义的外层括号也是不能省的，想一想为什么。
4、调用函数时先求实参表达式的值再传给形参，如果实参表达式有Side Effect，那么这些Side Effect只发生一次。例如MAX(++a, ++b)，如果MAX是个真正的函数，a和b只增加一次。但如果MAX是上面那样的宏定义，则要展开成k = ((++a)>(++b)?(++a):(++b))，a和b就不一定是增加一次还是两次了。
5、即使实参没有Side Effect，使用函数式宏定义也往往会导致较低的代码执行效率。下面举一个极端的例子，也是个很有意思的例子。
例 21.1. 函数式宏定义
#define MAX(a, b) ((a)>(b)?(a):(b))
int a[] = { 9, 3, 5, 2, 1, 0, 8, 7, 6, 4 };
int max(int n)
{
return n == 0 ? a[0] : MAX(a[n], max(n-1));
}
int main(void)
{
max(9);
return 0;
}这段代码从一个数组中找出最大的数，如果MAX是个真正的函数，这个算法就是从前到后遍历一遍数组，时间复杂度是Θ(n)，而现在MAX是这样一个函数式宏定义，思考一下这个算法的时间复杂度是多少？
尽管函数式宏定义和真正的函数相比有很多缺点，但只要小心使用还是会显著提高代码的执行效率，毕竟省去了分配和释放栈帧、传参、传返回值等一系列工作，因此那些简短并且被频繁调用的函数经常用函数式宏定义来代替实现。例如C标准库的很多函数都提供两种实现，一种是真正的函数实现，一种是宏定义实现，这一点以后还要详细解释。
函数式宏定义经常写成这样的形式（取自内核代码include/linux/pm.h）：
#define device_init_wakeup(dev,val) \
do { \
device_can_wakeup(dev) = !!(val); \
device_set_wakeup_enable(dev,val); \
} while(0)
为什么要用do { ... } while(0)括起来呢？不括起来会有什么问题呢？
#define device_init_wakeup(dev,val) \
device_can_wakeup(dev) = !!(val); \
device_set_wakeup_enable(dev,val);
if (n > 0)
device_init_wakeup(d, v);
这样宏展开之后，函数体的第二条语句不在if条件中。那么简单地用{ ... }括起来组成一个语句块不行吗？
#define device_init_wakeup(dev,val) \
{ device_can_wakeup(dev) = !!(val); \
device_set_wakeup_enable(dev,val); }
if (n > 0)
device_init_wakeup(d, v);
else
continue;
问题出在device_init_wakeup(d, v);末尾的;号，如果不允许写这个;号，看起来不像个函数调用，可如果写了这个;号，宏展开之后就有语法错误，if语句被这个;号结束掉了，没法跟else配对。因此，do { ... } while(0)是一种比较好的解决办法。
如果在一个程序文件中重复定义一个宏，C语言规定这些重复的宏定义必须一模一样。例如这样的重复定义是允许的：
#define OBJ_LIKE (1 - 1) #define OBJ_LIKE /* comment */ (1/* comment */-/* comment */ 1)/* comment */
在定义的前后多些空白（这里的空白包括空格、Tab、注释，因为前一步预处理要把注释替换成空格）没有关系，在定义中间连续多个空白等价于一个空白，但在定义中间有空白和没有空白被认为是不同的，所以这样的重复定义是不允许的：
#define OBJ_LIKE (1 - 1) #define OBJ_LIKE (1-1)
如果需要重新定义一个宏，和原来的定义不同，可以先用#undef取消原来的定义，再重新定义，例如：
#define X 3 ... /* X is 3 */ #undef X ... /* X has no definition */ #define X 2 ... /* X is 2 */
2.2. 内联函数 请点评
C99引入一个新关键字inline，用于定义内联函数（inline function）。这种用法在内核代码中很常见，例如include/linux/rwsem.h中：
static inline void down_read(struct rw_semaphore *sem)
{
might_sleep();
rwsemtrace(sem,"Entering down_read");
__down_read(sem);
rwsemtrace(sem,"Leaving down_read");
}
inline关键字告诉编译器，这个函数的调用要尽可能快，可以当普通的函数调用实现，也可以用宏展开的办法实现。我们做个实验，把上一节的例子改一下：
例 21.2. 内联函数
inline int MAX(int a, int b)
{
return a > b ? a : b;
}
int a[] = { 9, 3, 5, 2, 1, 0, 8, 7, 6, 4 };
int max(int n)
{
return n == 0 ? a[0] : MAX(a[n], max(n-1));
}
int main(void)
{
max(9);
return 0;
}按往常的步骤编译然后反汇编：
$ gcc main.c -g
$ objdump -dS a.out
...
int max(int n)
{
8048369: 55 push %ebp
804836a: 89 e5 mov %esp,%ebp
804836c: 83 ec 0c sub $0xc,%esp
return n == 0 ? a[0] : MAX(a[n], max(n-1));
804836f: 83 7d 08 00 cmpl $0x0,0x8(%ebp)
8048373: 75 0a jne 804837f <max+0x16>
8048375: a1 c0 95 04 08 mov 0x80495c0,%eax
804837a: 89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)
804837d: eb 29 jmp 80483a8 <max+0x3f>
804837f: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax
8048382: 83 e8 01 sub $0x1,%eax
8048385: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
8048388: e8 dc ff ff ff call 8048369 <max>
804838d: 89 c2 mov %eax,%edx
804838f: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax
8048392: 8b 04 85 c0 95 04 08 mov 0x80495c0(,%eax,4),%eax
8048399: 89 54 24 04 mov %edx,0x4(%esp)
804839d: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
80483a0: e8 9f ff ff ff call 8048344 <MAX>
80483a5: 89 45 fc mov %eax,-0x4(%ebp)
80483a8: 8b 45 fc mov -0x4(%ebp),%eax
}
...
可以看到MAX是作为普通函数调用的。如果指定优化选项编译，然后反汇编：
$ gcc main.c -g -O
$ objdump -dS a.out
...
int max(int n)
{
8048355: 55 push %ebp
8048356: 89 e5 mov %esp,%ebp
8048358: 53 push %ebx
8048359: 83 ec 04 sub $0x4,%esp
804835c: 8b 5d 08 mov 0x8(%ebp),%ebx
return n == 0 ? a[0] : MAX(a[n], max(n-1));
804835f: 85 db test %ebx,%ebx
8048361: 75 07 jne 804836a <max+0x15>
8048363: a1 a0 95 04 08 mov 0x80495a0,%eax
8048368: eb 18 jmp 8048382 <max+0x2d>
804836a: 8d 43 ff lea -0x1(%ebx),%eax
804836d: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
8048370: e8 e0 ff ff ff call 8048355 <max>
inline int MAX(int a, int b)
{
return a > b ? a : b;
8048375: 8b 14 9d a0 95 04 08 mov 0x80495a0(,%ebx,4),%edx
804837c: 39 d0 cmp %edx,%eax
804837e: 7d 02 jge 8048382 <max+0x2d>
8048380: 89 d0 mov %edx,%eax
int a[] = { 9, 3, 5, 2, 1, 0, 8, 7, 6, 4 };
int max(int n)
{
return n == 0 ? a[0] : MAX(a[n], max(n-1));
}
8048382: 83 c4 04 add $0x4,%esp
8048385: 5b pop %ebx
8048386: 5d pop %ebp
8048387: c3 ret
...
可以看到，并没有call指令调用MAX函数，MAX函数的指令是内联在max函数中的，由于源代码和指令的次序无法对应，max和MAX函数的源代码也交错在一起显示。
2.3. #、##运算符和可变参数 请点评
在函数式宏定义中，#运算符用于创建字符串，#运算符后面应该跟一个形参（中间可以有空格或Tab），例如：
#define STR(s) # s STR(hello world)
用cpp命令预处理之后是"hello␣world"，自动用"号把实参括起来成为一个字符串，并且实参中的连续多个空白字符被替换成一个空格。
再比如：
#define STR(s) #s
fputs(STR(strncmp("ab\"c\0d", "abc", '\4"')
== 0) STR(: @\n), s);
预处理之后是fputs("strncmp(\"ab\\\"c\\0d\", \"abc\", '\\4\"') == 0" ": @\n", s);，注意如果实参中包含字符常量或字符串，则宏展开之后字符串的界定符"要替换成\"，字符常量或字符串中的\和"字符要替换成\\和\"。
在宏定义中可以用##运算符把前后两个预处理Token连接成一个预处理Token，和#运算符不同，##运算符不仅限于函数式宏定义，变量式宏定义也可以用。例如：
#define CONCAT(a, b) a##b CONCAT(con, cat)
预处理之后是concat。再比如，要定义一个宏展开成两个#号，可以这样定义：
#define HASH_HASH # ## #
中间的##是运算符，宏展开时前后两个#号被这个运算符连接在一起。注意中间的两个空格是不可少的，如果写成####，会被划分成##和##两个Token，而根据定义##运算符用于连接前后两个预处理Token，不能出现在宏定义的开头或末尾，所以会报错。
我们知道printf函数带有可变参数，函数式宏定义也可以带可变参数，同样是在参数列表中用...表示可变参数。例如：
#define showlist(...) printf(#__VA_ARGS__) #define report(test, ...) ((test)?printf(#test):\ printf(__VA_ARGS__)) showlist(The first, second, and third items.); report(x>y, "x is %d but y is %d", x, y);
预处理之后变成：
printf("The first, second, and third items.");
((x>y)?printf("x>y"): printf("x is %d but y is %d", x, y));
在宏定义中，可变参数的部分用__VA_ARGS__表示，实参中对应...的几个参数可以看成一个参数替换到宏定义中__VA_ARGS__所在的地方。
调用函数式宏定义允许传空参数，这一点和函数调用不同，通过下面几个例子理解空参数的用法。
#define FOO() foo FOO()
预处理之后变成foo。FOO在定义时不带参数，在调用时也不允许传参数给它。
#define FOO(a) foo##a FOO(bar) FOO()
预处理之后变成：
foobar foo
FOO在定义时带一个参数，在调用时必须传一个参数给它，如果不传参数则表示传了一个空参数。
#define FOO(a, b, c) a##b##c FOO(1,2,3) FOO(1,2,) FOO(1,,3) FOO(,,3)
预处理之后变成：
123 12 13 3
FOO在定义时带三个参数，在调用时也必须传三个参数给它，空参数的位置可以空着，但必须给够三个参数，FOO(1,2)这样的调用是错误的。
#define FOO(a, ...) a##__VA_ARGS__ FOO(1) FOO(1,2,3,)
预处理之后变成：
1 12,3,
FOO(1)这个调用相当于可变参数部分传了一个空参数，FOO(1,2,3,)这个调用相当于可变参数部分传了三个参数，第三个是空参数。
gcc有一种扩展语法，如果##运算符用在__VA_ARGS__前面，除了起连接作用之外还有特殊的含义，例如内核代码net/netfilter/nf_conntrack_proto_sctp.c中的：
#define DEBUGP(format, ...) printk(format, ## __VA_ARGS__)
printk这个内核函数相当于printf，也带有格式化字符串和可变参数，由于内核不能调用libc的函数，所以另外实现了一个打印函数。这个函数式宏定义可以这样调用：DEBUGP("info no. %d", 1)。也可以这样调用：DEBUGP("info")。后者相当于可变参数部分传了一个空参数，但展开后并不是printk("info",)，而是printk("info")，当__VA_ARGS__是空参数时，##运算符把它前面的,号“吃”掉了。
2.4. 宏展开的步骤 请点评
以上举的宏展开的例子都是最简单的，有些宏展开的过程要做多次替换，例如：
#define sh(x) printf("n" #x "=%d, or %d\n",n##x,alt[x])
#define sub_z 26
sh(sub_z)
sh(sub_z)要用sh(x)这个宏定义来展开，形参x对应的实参是sub_z，替换过程如下：
-
#x要替换成"sub_z"。 -
n##x要替换成nsub_z。 -
除了带
#和##运算符的参数之外，其它参数在替换之前要对实参本身做充分的展开，所以应该先把sub_z展开成26再替换到alt[x]中x的位置。 -
现在展开成了
printf("n" "sub_z" "=%d, or %d\n",nsub_z,alt[26])，所有参数都替换完了，这时编译器会再扫描一遍，再找出可以展开的宏定义来展开，假设nsub_z或alt是变量式宏定义，这时会进一步展开。
再举一个例子：
#define x 3 #define f(a) f(x * (a)) #undef x #define x 2 #define g f #define t(a) a t(t(g)(0) + t)(1);
展开的步骤是：
-
先把
g展开成f再替换到#define t(a) a中，得到t(f(0) + t)(1);。 -
根据
#define f(a) f(x * (a))，得到t(f(x * (0)) + t)(1);。 -
把
x替换成2，得到t(f(2 * (0)) + t)(1);。注意，一开始定义x为3，但是后来用#undef x取消了x的定义，又重新定义x为2。当处理到t(t(g)(0) + t)(1);这一行代码时x已经定义成2了，所以用2来替换。还要注意一点，现在得到的t(f(2 * (0)) + t)(1);中仍然有f，但不能再次根据#define f(a) f(x * (a))展开了，f(2 * (0))就是由展开f(0)得到的，这里面再遇到f就不展开了，这样规定可以避免无穷展开（类似于无穷递归），因此我们可以放心地使用递归定义，例如#define a a[0]，#define a a.member等。 -
根据
#define t(a) a，最终展开成f(2 * (0)) + t(1);。这时不能再展开t(1)了，因为这里的t就是由展开t(f(2 * (0)) + t)得到的，所以不能再展开了。
3. 条件预处理指示 请点评
我们在第 2.2 节 “头文件”中见过Header Guard的用法：
#ifndef HEADER_FILENAME #define HEADER_FILENAME /* body of header */ #endif
条件预处理指示也常用于源代码的配置管理，例如：
#if MACHINE == 68000
int x;
#elif MACHINE == 8086
long x;
#else /* all others */
#error UNKNOWN TARGET MACHINE
#endif
假设这段程序是为多种平台编写的，在68000平台上需要定义x为int型，在8086平台上需要定义x为long型，对其它平台暂不提供支持，就可以用条件预处理指示来写。如果在预处理这段代码之前，MACHINE被定义为68000，则包含intx;这段代码；否则如果MACHINE被定义为8086，则包含long x;这段代码；否则（MACHINE没有定义，或者定义为其它值），包含#error UNKNOWN TARGET MACHINE这段代码，编译器遇到这个预处理指示就报错退出，错误信息就是UNKNOWN TARGET MACHINE。
如果要为8086平台编译这段代码，有几种可选的办法：
1、手动编辑代码，在前面添一行#define MACHINE 8086。这样做的缺点是难以管理，如果这个项目中有很多源文件都需要定义MACHINE，每次要为8086平台编译就得把这些定义全部改成8086，每次要为68000平台编译就得把这些定义全部改成68000。
2、在所有需要配置的源文件开头包含一个头文件，在头文件中定义#define MACHINE 8086，这样只需要改一个头文件就可以影响所有包含它的源文件。通常这个头文件由配置工具生成，比如在Linux内核源代码的目录下运行make menuconfig命令可以出来一个配置菜单，在其中配置的选项会自动转换成头文件include/linux/autoconf.h中的宏定义。
举一个具体的例子，在内核配置菜单中用回车键和方向键进入Device Drivers ---> Network device support，然后用空格键选中Network device support（菜单项左边的[ ]括号内会出现一个*号），然后保存退出，会生成一个名为.config的隐藏文件，其内容类似于：
... # # Network device support # CONFIG_NETDEVICES=y # CONFIG_DUMMY is not set # CONFIG_BONDING is not set # CONFIG_EQUALIZER is not set # CONFIG_TUN is not set ...
然后运行make命令编译内核，这时根据.config文件生成头文件include/linux/autoconf.h，其内容类似于：
... /* * Network device support */ #define CONFIG_NETDEVICES 1 #undef CONFIG_DUMMY #undef CONFIG_BONDING #undef CONFIG_EQUALIZER #undef CONFIG_TUN ...
上面的代码用#undef确保取消一些宏的定义，如果先前没有定义过CONFIG_DUMMY，用#undef CONFIG_DUMMY取消它的定义没有任何作用，也不算错。
include/linux/autoconf.h被另一个头文件include/linux/config.h所包含，通常内核代码包含后一个头文件，例如net/core/sock.c：
...
#include <linux/config.h>
...
int sock_setsockopt(struct socket *sock, int level, int optname,
char __user *optval, int optlen)
{
...
#ifdef CONFIG_NETDEVICES
case SO_BINDTODEVICE:
{
...
}
#endif
...
再比如drivers/isdn/i4l/isdn_common.c：
...
#include <linux/config.h>
...
static int
isdn_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, uint cmd, ulong arg)
{
...
#ifdef CONFIG_NETDEVICES
case IIOCNETGPN:
/* Get peer phone number of a connected
* isdn network interface */
if (arg) {
if (copy_from_user(&phone, argp, sizeof(phone)))
return -EFAULT;
return isdn_net_getpeer(&phone, argp);
} else
return -EINVAL;
#endif
...
#ifdef CONFIG_NETDEVICES
case IIOCNETAIF:
...
#endif /* CONFIG_NETDEVICES */
...
这样，在配置菜单中所做的配置通过条件预处理最终决定了哪些代码被编译到内核中。#ifdef或#if可以嵌套使用，但预处理指示通常都顶头写不缩进，为了区分嵌套的层次，可以像上面的代码中最后一行那样，在#endif处用注释写清楚它结束的是哪个#if或#ifdef。
3、要定义一个宏不一定非得在代码中用#define定义，早在第 6 节 “折半查找”我们就见过用gcc的-D选项定义一个宏NDEBUG。对于上面的例子，我们需要给MACHINE定义一个值，可以写成类似这样的命令：gcc -c -DMACHINE=8086 main.c。这种办法需要给每个编译命令都加上适当的选项，和第2种方法相比似乎也很麻烦，第2种方法在头文件中只写一次宏定义就可以在很多源文件中生效，第3种方法能不能做到“只写一次到处生效”呢？等以后学习了Makefile就有办法了。
最后通过下面的例子说一下#if后面的表达式：
#define VERSION 2 #if defined x || y || VERSION < 3
-
首先处理
defined运算符，defined运算符一般用作表达式中的一部分，如果单独使用，#if defined x相当于#ifdef x，而#if !defined x相当于#ifndef x。在这个例子中，如果x这个宏有定义，则把defined x替换为1，否则替换为0，因此变成#if 0 || y || VERSION < 3。 -
然后把有定义的宏展开，变成
#if 0 || y || 2 < 3。 -
把没有定义的宏替换成0，变成
#if 0 || 0 || 2 < 3，注意，即使前面定义了一个变量名是y，在这一步也还是替换成0，因为#if的表达式必须在编译时求值，其中包含的名字只能是宏定义。 -
把得到的表达式
0 || 0 || 2 < 3像C表达式一样求值，求值的结果是#if 1，因此条件成立。
转自： http://learn.akae.cn/media/ch21s03.html
