C/C++中宏/Macro的深入讲解

前言

宏（Macro）本质上就是代码片段，通过别名来使用。在编译前的预处理中，宏会被替换为真实所指代的代码片段，即下图中 Preprocessor 处理的部分。

C/C++ 代码编译过程 - 图片来自 ntu.edu.sg

根据用法的不同，分两种，Object-like 和 Function-like。前者用于 Object 对象，后者用于函数方法。

C/C++ 代码编译过程中，可通过相应参数来获取到各编译步骤中的产出，比如想看被预处理编译之后的宏，使用 gcc 使加上 -E 参数。

$ gcc -E macro.c

宏的定义

通过 #define 指令定义一个宏。

#define NAME_OF_MACRO value

比如，以下代码定义了一个名为 BUFFER_SIZE 的宏，指代 1024 这个数字。

#define BUFFER_SIZE 1024

使用时，

foo = (char *) malloc (BUFFER_SIZE);

使用预处理器编译：

$ gcc -E test.c

编译结果：

foo = (char *) malloc (1024);

多行

宏的定义是跟随 #define 在一同一行内的，但可通过反斜杠 \ 实现换行从而定义出多行的宏。

多行的宏经过编译后会还原到一行中。

test.c

#include <stdio.h>
#define GREETING_STR \
 "hello \
world"

int main() { printf(GREETING_STR); }

编译后：

int main() {
 printf("hello world");
 return 0;
}

宏展开时的顺序

宏的展开是在处理源码时按照其出现位置进行的，如果宏定义有嵌套关系，也是层层进行展开，比如：

#include <stdio.h>

#define GREETING_NAME "wayou"
#define GREETING "hello," GREETING_NAME

int main() {
 printf(GREETING);
 return 0;
}

首先遇到 GREETING，将其展开成 GREETING_NAME "wayou"，然后发现另一个宏 GREETING_NAME，将其展开最后得到 "hello," "wayou"。所以编译后的代码为：

int main() {
 printf("hello," "wayou");
 return 0;
}

其展开的顺序并不是宏定义时的顺序，为了验证，可将上面示例代码中两个宏的定义调换一下，得到：

-#define GREETING_NAME "wayou"
#define GREETING "hello," GREETING_NAME
+#define GREETING_NAME "wayou"

再次编译查看产出，会发现没有区别，也不会报 GREETING 中所依赖的 GREETING_NAME 找不到的错。其实 #define 只是告诉编译器定义了这么个宏，而具体的求值，则是使用宏的地方才开始的。

像下面这样，当宏存在覆盖时，会以新的为准，其结果为 37。

#define BUFSIZE 1020
#define TABLESIZE BUFSIZE
#undef BUFSIZE
#define BUFSIZE 37

Object-like 宏

Object-like 类型的宏看起来就像普通的数据对象，故名。多用于数字常量的情形下。且宏名一般使用全大写形式方便识别。像上面示例中，都是 Object-like 的。

Function-like 宏

也可定义出使用时像是方法调用一样的宏，这便是 Function-like 类型的宏。

#define lang_init() c_init()
lang_init()

// 编译后
c_init()

函数类型的宏只在以方法调用形式使用时才会被展开，即名称后加括号，否则会被忽略。当宏名和函数名重名时，这一策略就会显得有用了，比如：

extern void foo(void);
#define foo() /* optimized inline version */
…
 foo();
 funcptr = foo;

这里 foo() 的调用会来自宏里面定义的那个函数，而 funcptr 会正确地指向函数地址，如果后者也被宏展开，则成了 funptr=foo() 显然就不对了。

函数类型的宏在定义时需注意，宏名与后面括号不能有空格，否则就是普通的 Object-like 类型对象。

#define lang_init ()  c_init()
lang_init()

// 编译后：
() c_init()()

宏的参数

函数类型的宏，可以像正常函数一样指定入参，入参需为逗号分隔合法的 C 字面量。

#define min(X, Y) ((X) < (Y) ? (X) : (Y))
 x = min(a, b);     → x = ((a) < (b) ? (a) : (b));
 y = min(1, 2);     → y = ((1) < (2) ? (1) : (2));
 z = min(a + 28, *p);  → z = ((a + 28) < (*p) ? (a + 28) : (*p));

入参中的括号

入参中只需要括号对称，但不要求方括号或花括号成对出现，所以下面的代码：

macro (array[x = y, x + 1])

其入参实际为 array[x = y 和 x + 1]。

入参的展开

入参本质上也是宏，对象类型的宏，在函数宏展示时，这些参数也被展示到了函数宏的函数体里。

 min (min (a, b), c)

首先被展开成：

min (((a) < (b) ? (a) : (b)), (c))

然后进一步展开成（此处换行为方便阅读，实际编译后没有）：

((((a) < (b) ? (a) : (b))) < (c)
 ? (((a) < (b) ? (a) : (b)))
 : (c))

参数的缺省

函数宏在使用时其入参可缺省，但不能全部缺省，至少提供一个入参。

min(, b)    → ((  ) < (b) ? (  ) : (b))
min(a, )    → ((a ) < ( ) ? (a ) : ( ))
min(,)     → ((  ) < ( ) ? (  ) : ( ))
min((,),)    → (((,)) < ( ) ? ((,)) : ( ))

min()   error→ macro "min" requires 2 arguments, but only 1 given
min(,,)  error→ macro "min" passed 3 arguments, but takes just 2

字符化/Stringizing

如果函数宏中入参在字符串中，是不会被展开的，它就是普通的字符串字面量，这样的结果是符合预期的。

#define foo(x) x, "x"
foo(bar)    → bar, "x"

但如果确实想将入参展开成字符串，可在使用入参时，加上 # 前缀。

#define WARN_IF(EXP) \
do { if (EXP) \
    fprintf (stderr, "Warning: " #EXP "\n"); } \
while (0)
WARN_IF (x == 0);
   → do { if (x == 0)
      fprintf (stderr, "Warning: " "x == 0" "\n"); } while (0);

此处 #EXP 在字符串中会被正确展开。What's more, 如果这里的 x 也是宏，那只会在 if 语句中进行展开。

拼接

通过 ## 可将两个宏展开成一个，即将两者进行了拼接，这种操作叫 "token pasting"，或 "token concatenation"，就是拼接嘛。

宏拼接一般用在需要拼接的宏是来自宏参数的情况，其他情况，大可直接将两个宏写在一起即可，用不着 ## 指令。

考察下面这个场景，其中命令名重复出现：

struct command
{
 char *name;
 void (*function) (void);
};

struct command commands[] =
{
 { "quit", quit_command },
 { "help", help_command },
 …
};

通过定义宏配合拼接，可达到精简代码的目的：

#define COMMAND(NAME) { #NAME, NAME ## _command }

struct command commands[] =
{
 COMMAND (quit),
 COMMAND (help),
 …
};

不定参数

像普通函数一样，函数类型的宏也可定义接收不定参数。

#define eprintf(…) fprintf (stderr, __VA_ARGS__)

调用时，命名参数后面，包括逗号都会进入到 __VA_ARGS__ 关键字当中。但 C++ 中还支持对这些参数命名从而不用 __VA_ARGS__。

eprintf ("%s:%d: ", input_file, lineno)

// 编译后：
fprintf (stderr, "%s:%d: ", input_file, lineno)

C++ 中可这么写：

#define eprintf(args…) fprintf (stderr, args)

不定参数与命名参数混合的情况

不定参数为命名参数后面省略的部分。

#define eprintf(format, …) fprintf (stderr, format, __VA_ARGS__)

预设的宏

标准库及编译器中预设了一些有用的宏，可以在这里查阅。

取消和重置宏

当某个宏不再使用时，可通过 #undef 将取注销掉。#undef 后紧跟宏名，后面不要跟其他东西，即使是函数类型的宏。

#define FOO 4
x = FOO;    → x = 4;
#undef FOO
x = FOO;    → x = FOO;

两个宏相似的定义

满足以下条件时，我们认为两者是相似的：

类型相同，比如同为对象类型，或函数类型的宏
展开后各位置的符号（token）相同
如果是函数宏，入参相同
空白的不限但出现的位置相同

比如，下面这些是相似的：

#define FOUR (2 + 2)
#define FOUR     (2  +  2)
#define FOUR (2 /* two */ + 2)

而下面这些则不然：

#define FOUR (2 + 2)
#define FOUR ( 2+2 ) // 空白位置不一样 
#define FOUR (2 * 2) // 宏的内容不一样
#define FOUR(score,and,seven,years,ago) (2 + 2) // 入参不一样

宏重复定义时的表现

对于使用了 #undef 注销过的宏，再次定义同名的宏时，要求新定义的宏不与老的相似。

而如果说一个已经存在的宏，并没有注销，重复定义时，如果相似，则新的定义会忽略，如果不相似，编译器会报警告同时使用新定义的宏。这允许在多个文件中定义同一个宏。

相关资源

总结

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