【C语言】关于我回头学的那些预处理等（五）（重点）

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2023年06月13日 14:29 · 阅读数 15

前言

我的第一门语言就是C，但是学艺不精，中途跑去学了C#和Java后，感觉到了C的重要性，毕竟是最接近底层的语言，又跑回来学C。

毕竟前两门的控制语句，变量什么的都是类似的，回到C后只需要学习一些特定C的语法，比如宏，预编译指令等等，这些对我来说都是陌生的词汇。

所以边学边记录一下以前的知识。

文章目录

一、预处理器

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。

下面只介绍#define，其他的通过实例理解。

【C语言】关于我回头学的那些预处理等（五）（重点）

1）#define（重要）

C语言中可以使用#define关键字定义宏。宏可以在程序中作为常量或简单的代码片段进行使用。

以下是定义宏的语法：

#define 宏名称替换文本

宏名称：定义的宏的名称，必须是一个标识符。
替换文本：宏的替换文本，可以是一个数字、表达式、语句或其他的代码片段。

例如，定义一个简单的宏：

#define PI 3.14159

这个宏定义了一个名为PI的常量，可以在程序中使用PI来代替3.14159。

定义一个带参数的宏：

#define SQUARE(x) (x)*(x)

这个宏定义了一个名为SQUARE的宏，该宏接受一个参数x，并返回x的平方。在程序中可以使用SQUARE(5)来代替25。

在使用宏时需要注意以下几点：

宏名称必须是一个有效的标识符，不能是关键字或其他已经定义的标识符。
宏定义的替换文本不需要以分号结尾。
宏定义的替换文本中的参数必须用括号括起来，以避免优先级问题。
宏定义的替换文本中不要使用++或–等自增自减操作符，因为它们可能会导致意外的行为。

疑问：那C语言的宏会不会和Java的全局变量差不多呢？

C语言中的宏和Java中的全局变量有一些相似之处，但是它们在概念上是不同的。

C语言的宏是一个预处理器指令，用于将一个标识符替换为一个表达式、语句或代码块。宏定义只是一种文本替换机制，可以替换参数、常量等。使用宏定义可以帮助我们简化代码，提高程序效率。

当我们编写代码时，有时候需要多次使用相同的代码块或数值。在C语言中，我们可以使用宏来简化重复的代码块或数值的定义，而在Java中，我们通常使用全局变量来管理这些值。

举个例子，假设我们要编写一个计算圆面积的程序。在C语言中，我们可以使用宏来定义圆周率，并且在多个函数中都可以使用这个宏：

#define PI 3.14159

float calculateArea(float radius){
    return PI * radius * radius;
}

而在Java中，我们可以使用全局变量来存储圆周率，并且在整个类中都可以使用这个变量：

public class Circle {
    public static final double PI = 3.14159;

    public double calculateArea(double radius){
        return PI * radius * radius;
    }
}

虽然它们不完全相同，但它们都是为了避免代码冗余并提高程序效率而设计的。

2）#define运算符

我单独把这个运算符和下面的运算符分开，因为这是最重要的，也是最基础的。

#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 -DEBUG 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。

二、系统预定义宏

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。

【C语言】关于我回头学的那些预处理等（五）（重点）

#include <stdio.h>
 
main()
{
   printf("File :%s\n", __FILE__ );
   printf("Date :%s\n", __DATE__ );
   printf("Time :%s\n", __TIME__ );
   printf("Line :%d\n", __LINE__ );
   printf("ANSI :%d\n", __STDC__ );
 
}

结果如下：

File :test.c Date :Jun 2 2012 Time :03:36:24 Line :8 ANSI :1

三、预处理器运算符

1）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（\）。

#define  message_for(a, b)  \
    printf(#a " and " #b ": We love you!\n")

2）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。

#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;
}

结果如下：

Carole and Debra: We love you!

3）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。

#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（##）。

四、代码块宏

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。

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;
}

结果如下：

Max between 20 and 10 is 20

五、头文件

头文件是扩展名为 .h 的文件，包含了 C 函数声明和宏定义，被多个源文件中引用共享。

有两种类型的头文件：

程序员编写的头文件
编译器自带的头文件。

在程序中要使用头文件，需要使用 C 预处理指令 #include 来引用它。

前面我们已经看过 stdio.h 头文件，它是编译器自带的头文件。

引用头文件相当于复制头文件的内容（不是具体实现，只是内容），但是我们不会直接在源文件中复制头文件的内容，因为这么做很容易出错，特别在程序是由多个源文件组成的时候。

C 或 C++ 程序中，建议把所有的常量、宏、系统全局变量和函数原型写在头文件中，在需要的时候随时引用这些头文件。

1）引用头文件的语法

那么我们知道有两种类型的头文件，应该如何引用他们呢？

这种形式用于引用系统头文件。它在系统目录的标准列表中搜索名为 file 的文件。在编译源代码时，您可以通过 -I 选项把目录前置在该列表前。

#include <file>

这种形式用于引用用户头文件。它在包含当前文件的目录中搜索名为 file 的文件。在编译源代码时，您可以通过 -I 选项把目录前置在该列表前。

#include "file"

2）引用头文件的操作

#include 指令会指示 C 预处理器浏览指定的文件作为输入。预处理器的输出包含了已经生成的输出，被引用文件生成的输出以及#include 指令之后的文本输出。

//头文件 header.h
char *test (void);

//主程序program.c
#include "header.h"

int main (void)
{
   puts (test ());
}

编译器会看到如下的代码信息：

char *test (void);

int main (void)
{
   puts (test ());
}

3）引用头文件实例

1.只引用一次头文件

如果一个头文件被引用两次，编译器会处理两次头文件的内容，这将产生错误。为了防止这种情况，标准的做法是把文件的整个内容放在条件编译语句中，类似与if语句。

#ifndef HEADER_FILE//如果宏没有定义，则返回真
#define HEADER_FILE//定义宏

the entire header file file

#endif

2.有条件引用

有时需要从多个不同的头文件中选择一个引用到程序中。例如，需要指定在不同的操作系统上使用的配置参数。

#if SYSTEM_1//如果给定条件为真
   # include "system_1.h"
#elif SYSTEM_2
   # include "system_2.h"
#elif SYSTEM_3
   ...
#endif

但是如果头文件比较多的时候，这么做是很不妥当的，预处理器使用宏来定义头文件的名称。这就是所谓的有条件引用。

它不是用头文件的名称作为 #include 的直接参数，您只需要使用宏名称代替即可：

 #define SYSTEM_H "system_1.h"//类似变量
 ...
 #include SYSTEM_H

SYSTEM_H 会扩展，预处理器会查找 system_1.h，就像 #include 最初编写的那样。SYSTEM_H 可通过 -D 选项被您的 Makefile 定义。

结尾

该文章的最后，也许有人有这样的疑问：假如a文件使用了一个b的头文件(.h)里面的c函数，a文件怎么知道b文件里面c函数的具体实现是什么？

在C语言中，头文件(.h)只包含了函数的声明，而不是具体的实现。因此，当a文件使用了b文件的头文件(.h)里面的c函数时，它并不知道该函数的具体实现。

为了解决这个问题，需要在编译阶段将a文件与b文件链接起来。具体来说，需要将b文件编译成一个对象文件(.o)，然后将这个对象文件与a文件一起链接成可执行程序。

在链接过程中，编译器会将对c函数的调用替换为跳转到该函数实现的地址。因此，在运行时，a文件就能正确地调用b文件中c函数的具体实现了。

如果b文件是一个库文件，则需要在编译和链接过程中指定该库文件。例如，在Linux系统下可以使用-l选项指定库名，例如：

gcc a.c -lb

其中，-lb表示链接名为libb.so或libb.a的库文件。