C语言中的预处理

引言

     C语言程序从源程序.c文件到可执行.elf文件需要经历的过程是：源码.c->(预处理)->预处理过的.i源文件->(编译)->汇编文件.S->(汇编)->目标文件.o->(链接)->.elf可执行程序。其中预处理用预处理器、编译用编译器、汇编用汇编器、链接用链接器，再加上其它一些工具，组成编译工具链，gcc就是linux中的C语言编译工具链，这里我们仅说明预处理过程。

    预处理器处理的是预编译指令，预编译指令都是以#开始的，常用的预编译指令有：宏定义(#define)、文件包含(#include)、条件编译(#undef、#if、#else、#ifdef、#elif、#endif)、以及#error、#line和#pragma，合理使用这些指令，可使C程序易于阅读、修改、移植和调试，也利于程序模块化设计。

　本文用到的源码见 https://files.cnblogs.com/files/hfxin2001-eric-daddy/Preprocess.rar

1 宏定义指令#define

    宏定义简称“宏”，从应用角度通常分为无参宏和有参宏。预处理时对”宏”操作是：对程序中的宏名用定义的字符串进行文本替换，不做语法检查。

1.1  无参宏

    无参宏在预处理时仅是简单地将宏名用字符串替换，不做其他任何动作。

格式：#define  宏名  字符串

如：

/********preprocess.c********/
#include <stdio.h>
#define Pi 3.1415926    //预处理时把程序中Pi全部替换为3.1415926
#define STR "hello, world\n"   //预处理时把程序中STR全部替换为"hello, world\n"
int main( void )
{
    float a;
    a = Pi;
    char b[] = STR;
    
    printf("a= %f.\n STR b[] = %s.\n",a,STR);
    
    return 0;
}

    使用 $ gcc –E preprocess.c –o preprocess.i  将preprocess.c 预处理为preprocess.i，查看preprocess.i的内容(见图)，可见无参宏仅是将宏名用字符串替换，不做其他任何动作，且即使” ”中的字符串包含宏名，也不会进行宏替换，如printf中的STR。

关于无参宏的说明：

（1）预处理是在编译之前的处理动作，不做语法检查，语法检查是编译器的主要工作;

（2）使用宏可提高程序的通用性和易读性，减少不一致性，减少输入错误和便于修改。例如：数组大小常用宏定义;

（3）宏定义通常写在文件的最开头，作用域为其后的程序;

（4）宏名一般用大写;

（5）宏定义末尾不加分号；

（6）可以用#undef命令终止宏定义的作用域,如;

#define  MAX(a, b)  ((a)>(b)?(a):(b))
#undef MAX(a, b) //#undef 就取消了MAX(a, b)。

（7）宏定义允许嵌套;

（8）字符串( " " )中永远不包含宏，亦即使” ”中的字符串包含宏名，也不会进行宏替换;

（9）宏定义不分配内存，变量定义分配内存;

（10）宏定义不存在类型问题，它的参数也是无类型的。

 

1.2  有参宏

    宏定义可以带参数，类似函数，如：

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

再如：

/********preprocess.c********/
#include <stdio.h>
#define  MAX(a, b)  ((a)>(b)?(a):(b))
#define Pi 3.1415926 
int main( void )
{
float x,y,z;
x = Pi;
y = 5.0;
z = MAX(x,y);

printf(" x= %f.\n y= %f.\n c= %f.\n ",x,y,z);

return 0;
}

使用 $ gcc –E preprocess.c –o preprocess.i  将preprocess.c 预处理为preprocess.i，查看preprocess.i的内容（见图），可见有参宏不但将宏名用字符串替换，同时进行了参数传递。

输出结果为

关于有参宏的说明：

（1）宏定义只占用编译时间、不占用运行时间，不分配内存；函数调用占用运行时间（需要分配内存、保留现场、值传递和返回值等开销）。

（2）宏中的参数没有类型，也不做类型检查，只做文本替换，所以传参数时要格外小心。

（3）宏定义时最好每个参数都加括号，最外层也要加括号，避免出现意想不到的错误。

#define S(r) r*r
area=S(a+b);//第一步换为area=r*r;,第二步被换为area=a+b*a+b;，出现错误

正确的宏定义为

#define S(r) ((r)*(r))

1.3 关键字inline

    函数定义时如使用inline关键字，编译器会在编译时，在函数调用处将函数代码展开（类似宏替换），目的是减少因函数调用开销，弊端是编译后的文件会变大，如：   

static inline int rwsem_is_locked(struct rw_semaphore *sem) 
{ return sem->count != 0; }

2 头文件包含指令#include

    #include的作用是将头文件包含到当前程序中，如

#include <stdio.h
#include “math.h”

    将共用模块制作为头文件，然后通过#inlcude将头文件包含到程序中，实现共用模块的重复利用，避免重复编写代码，对模块化程序设计带来很大好处，例如函数库的制作和使用。#include包含头文件的处理过程是，程序进行预处理时，预处理器将头文件的内容原封不动地复制到#include 处，然后再进行编译。

#include <stdio.h>和#include “math.h”的区别在于头文件的检索路径的差异，具体为

（1）#include “math.h”，首先在当前工作目录检索头文件；如果未找到，则在命令行指明的目录中检索；如果仍未找到，则在包含目录（即系统或编译器的环境变量所指定的目录）中检索；如仍未找到，则报错。但通常都用于包含当前工作目录下的头文件。

(2) #include <stdio.h>，首先在命令行指明的目录中检索，如果未找到，则在包含目录（即系统或编译器的环境变量所指定的目录）中检索；如仍未找到，则报错，不会在当前工作目录中检索。但通常都用于包含包含目录（即系统或编译器的环境变量所指定的目录）下的头文件。

头文件写法的说明:

(1).c文件中写变量、函数的定义;

(2).h文件中写变量、函数的声明；

(3) 如果有数据类型的定义和宏定义，写在头文件(.h)中；

(4) 头文件一定使用#ifndef...#define....#endif指令，防止头文件被重包含的语句；

(5) .c文件中需要包含自己的.h文件

    使用 $ gcc –E preprocess.c –o preprocess.i  将preprocess.c 预处理为preprocess.i，查看preprocess.i的内容，可见stdio.h的内容已经原封不动地copy到程序中啦。

 

3 条件编译指令#if、#elif、#else、#ifdef、#ifudef、 #endif、#undef

3.1 #if、#elif、#else、#ifdef、

    通过条件编译指令可以有选择地编译程序源代码，商业软件公司广泛应用条件编译来提供和维护摸个程序的多个版本，如windows的家庭版、专业版。

#if  表达式             语句段1 #else             语句段2  #endif     作用：若表达式为真，执行语句段1，否则执行语句段2

#if   表达式1                 语句段1           #elif 表达式2                  语句段2 #else                 语句段3 #endif 作用：若表达式1真，执行语句段1，否则判断表达式2，若表达式2为真，则执行语句段2，否则执行语句段3

 3.1.1示例1

 

/*********preprocess.c*********/
#include <stdio.h>
#define DEBUG    
int main()
{
   #ifdef DEBUG
  printf("Debugging\n");
   #else
  printf("Not debugging\n");
   #endif
   printf("Running\n");
   return 0;
}

    使用 $ gcc –E preprocess.c –o preprocess.i  将preprocess.c 预处理为preprocess.i，查看preprocess.i的内容见图，可见宏不但将宏名用字符串替换，无用行还用空白进行了替换。

输出结果

3.1.2 示例2

 

/*********preprocess.c*********/
#include <stdio.h>
#define TWO
int main()
{
   #ifdef ONE
  printf("1\n");
   #elif defined TWO
  printf("2\n");
   #else
  printf("3\n");
   #endif
}

    使用 $ gcc –E preprocess.c –o preprocess.i  将preprocess.c 预处理为preprocess.i，查看preprocess.i的内容见图，可见宏不但将宏名用字符串替换，无用行还用空白进行了替换。

输出结果

 

3.2 #ifdef和#ifndef

#ifdef和#ifndef主要用于防止头文件重复包含，通常放置在.h头文件最前面，语法格式如：

#ifdef 宏名                   语句段 #endif 作用：若此前已定义了宏名，则执行语句段。

#ifndef  宏名                       语句段 #endif 作用：若此前没有定义宏名，则执行语句段。 #else可以用于#ifdef和#ifndef中，但#elif不可以。

3.2.1 示例

#ifndef FUNCA_H

#define FUNCA_H

//头文件内容

#endif

    这样就可以防止头文件FUNCA.h被重复包含。假设a.h包含了FUNCA.h，b.h包含了a.h和FUNCA.h，那么FUNCA.h就被重复包含了，编译时会报type redefination之类的错误。

 

4 #error

    #error是C/C++的预处理命令，当预处理器预处理到#error命令时，将停止编译并输出用户自定义的错误消息。

    语法：#error  [用户自定义的错误消息]

4.1 示例1

/*
*检查编译此源文件的编译器是不是C++编译器
*如果使用的是C语言编译器，则执行#error命令
*如果使用的是 C++ 编译器，则跳过#error命令
*/
#include <stdio.h>
#define __cplusplus   0
#ifndef __cplusplus
#error Darling ,This is not C++ compiler！ 
#endif

int main()
{
printf("Hello,World!\n");
return 0;
}

输出结果

4.2 示例2

#include <stdio.h>
#define __cplusplus   0
#undef __cplusplus  // 取消__cplusplus宏定义
#ifndef __cplusplus
#error Darling ,This is not C++ compiler！ 
#endif

int main()
{
printf("Hello,World!\n");
return 0;
}

输出结果

5 #line

《后续待补》

6 #pragma

《后续待补》