一、前言

二、預處理器的操作

三、宏擴展

四、符號：# 與 ##

五、可變參數(shù)的處理

六、奇思妙想的宏

七、總結(jié)

一、前言一直以來，我都有這樣一種感覺：當我學習一個新領(lǐng)域的知識時，如果其中的某個知識點在剛開始接觸時，我感覺比較難懂、不好理解，那么以后不論我花多長時間去研究這個知識點，心里會一直認為該知識點比較難，也就是說第一印象特別的重要。

就比如 C 語言中的宏定義，好像跟我犯沖一樣，我一直覺得宏定義是 C 語言中最難的部分，就好比有有些小伙伴一直覺得指針是 C 語言中最難的部分一樣。

宏的本質(zhì)就是代碼生成器，在預處理器的支持下實現(xiàn)代碼的動態(tài)生成，具體的操作通過條件編譯和宏擴展來實現(xiàn)。我們先在心中建立這么一個基本的概念，然后通過實際的描述和代碼來深入的體會：如何駕馭宏定義。

所以，今天我們就來把宏定義所有的知識點進行匯總、深挖，希望經(jīng)過這篇文章，我能夠擺脫心理的這個魔障。看完這篇總結(jié)文章后，我相信你也一定能夠?qū)甓x有一個總體、全局的把握。

二、預處理器的操作1. 宏的生效環(huán)節(jié)：預處理

一個 C 程序在編譯的時候，從源文件開始到最后生成二進制可執(zhí)行文件，一共經(jīng)歷 4 個階段：

我們今天討論的內(nèi)容就是在第一個環(huán)節(jié)：預處理，由預處理器來完成這個階段的工作，包括下面這 4 項工作：

文件引入（#include）;

條件編譯（#if..#elif..#endif）;

宏擴展（macro expansions）;

行控制（line control）。

2. 條件編譯

一般情況下，C 語言文件中的每一行代碼都是要被編譯的，但是有時候出于對程序代碼優(yōu)化的考慮，希望只對其中的一部分代碼進行編譯，此時就需要在程序中加上條件，讓編譯器只對滿足條件的代碼進行編譯，將不滿足條件的代碼舍棄，這就是條件編譯。

簡單的說：就是預處理器根據(jù)我們設置的條件，對代碼進行動態(tài)的處理，把有效的代碼輸出到一個中間文件，然后送給編譯器進行編譯。

條件編譯基本上在所有的項目代碼中都被使用到，例如：當你需要考慮下面的幾種情況時，就一定會使用條件編譯：

需要把程序編譯成不同平臺下的可執(zhí)行程序；

同一套代碼需要運行在同一平臺上的不同功能產(chǎn)品上；

在程序中存在著一些測試目的的代碼，不想污染產(chǎn)品級的代碼，需要屏蔽掉。

這里舉 3 個例子，在代碼中經(jīng)?？吹降年P(guān)于條件編譯：

示例1：用來區(qū)分 C 和 C++ 代碼

#ifdef __cplusplus extern “C” { #endif void hello（）; #ifdef __cplusplus } #endif

這樣的代碼幾乎在每個開源庫中都可能見到，主要的目的就是 C 和 C++ 混合編程，具體來說就是：

如果使用 gcc 來編譯，那么宏 __cplusplus 將不存在，其中的 extern “C” 將會被忽略；

如果使用 g++ 來編譯，那么宏 __cplusplus 就存在，其中的 extern “C” 就發(fā)生作用，編譯出來的函數(shù)名 hello 就不會被 g++ 編譯器改寫，因此就可以被 C 代碼來調(diào)用；

示例2：用來區(qū)分不同的平臺

#if defined（linux） || defined（__linux） || defined（__linux__） sleep（1000 * 1000）; // 調(diào)用 Linux 平臺下的庫函數(shù)#elif defined（WIN32） || defined（_WIN32） Sleep（1000 * 1000）; // 調(diào)用 Windows 平臺下的庫函數(shù)（第一個字母是大寫）#endif

那么，這些 linux， __linux， __linux__， WIN32， _WIN32 是從哪里來的呢？我們可以認為是編譯目標平臺（操作系統(tǒng)）為我們預先準備好的。

示例3：在編寫 Windows 平臺下的動態(tài)庫時，聲明導出和導入函數(shù)

#if defined（linux） || defined（__linux） || defined（__linux__） #define LIBA_API #else #ifdef LIBA_STATIC #define LIBA_API #else #ifdef LIBA_API_EXPORTS #define LIBA_API __declspec（dllexport） #else #define LIBA_API __declspec（dllimport） #endif #endif#endif

// 函數(shù)聲明LIBA_API void hello（）;

這段代碼是直接從我之前在 B 站錄制的一個小視頻里的示例拿過來的，當時主要是演示如何如何在 Linux 平臺下使用 make 和 cmake 構(gòu)建工具來編譯，后來又小伙伴讓我在 Windows 平臺下也用 make 和 cmake 來構(gòu)建，所以就寫了上面這段宏定義。

在使用 MSVC 編譯動態(tài)庫時，需要在編譯選項（Makefle 或者 CMakeLists.txt）中定義宏 LIBA_API_EXPORTS，那么導出函數(shù) hello 的最前面的宏 LIBA_API 就會被替換成：__declspec（dllexport），表示導出操作；

在編譯應用程序的時候，使用動態(tài)庫，需要 include 動態(tài)庫的頭文件，此時在編譯選項中不需要定義宏 LIBA_API_EXPORTS，那么 hello 函數(shù)最前面的 LIBA_API 就會被替換成 __declspec（dllimport），表示導入操作；

補充一點：如果使用靜態(tài)庫，編譯選項中不需要任何宏定義，那么宏 LIBA_API 就為空。

3. 平臺預定義的宏

上面已經(jīng)看到了，目標平臺會為我們預先定義好一些宏，方便我們在程序中使用。除了上面的操作系統(tǒng)相關(guān)宏，還有另一類宏定義，在日志系統(tǒng)中被廣泛的使用：

FILE：當前源代碼文件名；

LINE：當前源代碼的行號；

FUNCTION：當前執(zhí)行的函數(shù)名；

DATE：編譯日期；

TIME：編譯時間；

例如：

printf（“file name： %s， function name = %s， current line：%d

”， __FILE__， __FUNCTION__， __LINE__）;

三、宏擴展所謂的宏擴展就是代碼替換，這部分內(nèi)容也是我想表達的主要內(nèi)容。宏擴展最大的好處有如下幾點：

減少重復的代碼；

完成一些通過 C 語法無法實現(xiàn)的功能（字符串拼接）；

動態(tài)定義數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)類似 C++ 中模板的功能；

程序更容易理解、修改（例如：數(shù)字、字符串常亮）;

我們在寫代碼的時候，所有使用宏名稱的地方，都可以理解為一個占位符。在編譯程序的預處理環(huán)節(jié)，這些宏名將會被替換成宏定義中的那些代碼段，注意：僅僅是單純的文本替換。

1. 最常見的宏

為了方便后面的描述，先來看幾個常見的宏定義：

（1） 數(shù)據(jù)類型的定義

#ifndef BOOL typedef char BOOL;#endif

#ifndef TRUE #define TRUE#endif

#ifndef FALSE #define FALSE#endif

在數(shù)據(jù)類型定義中，需要注意的一點是：如果你的程序需要用不同平臺下的編譯器來編譯，那么你要去查一下所使用的編譯器對這些宏定義控制的數(shù)據(jù)類型是否已經(jīng)定義了。例如：在 gcc 中沒有 BOOL 類型，但是在 MSVC 中，把 BOOL 類型定義為 int 型。

（2） 獲取最大、最小值

#define MAX（a， b） （（（a） 》 （b）） ？ （a） ： （b））#define MIN（a， b） （（（a） 《 （b）） ？ （a） ： （b））

（3） 計算數(shù)組中的元素個數(shù)

#define ARRAY_SIZE（x） （sizeof（x） / sizeof（（x）［0］））

（4） 位操作

#define BIT_MASK（x） （1 《《 （x））#define BIT_GET（x， y） （（（x） 》》 （y）） & 0x01u）#define BIT_SET（x， y） （（x） | （1 《《 （y）））#define BIT_CLR（x， y） （（x） & （~（1 《《 （y））））#define BIT_INVERT（x， y） （（x） ^ （1 《《 （y）））

2. 與函數(shù)的區(qū)別

從上面這幾個宏來看，所有的這些操作都可以通過函數(shù)來實現(xiàn)，那么他們各有什么優(yōu)缺點呢？

通過函數(shù)來實現(xiàn)：

形參的類型需要確定，調(diào)用時對參數(shù)進行檢查；

調(diào)用函數(shù)時需要額外的開銷：操作函數(shù)棧中的形參、返回值等；

通過宏來實現(xiàn)：

不需要檢查參數(shù)，更靈活的傳參；

直接對宏進行代碼擴展，執(zhí)行時不需要函數(shù)調(diào)用；

如果同一個宏在多處調(diào)用，會增加代碼體積；

還是舉一個例子來說明比較好，就拿上面的比較大小來說吧：

（1） 使用宏來實現(xiàn)

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

int main（）{ printf（“max： %d

”， MAX（1， 2））;}

（2） 使用函數(shù)來實現(xiàn)

int max（int a， int b）{ if （a 》 b） return a; return b;}

int main（）{ printf（“max： %d

”， max（1， 2））;}

除了函數(shù)調(diào)用的開銷，其它看起來沒有差別。這里比較的是 2 個整型數(shù)據(jù)，那么如果還需要比較 2 個浮點型數(shù)據(jù)呢？

使用宏來調(diào)用：MAX（1.1， 2.2）；一切 OK;

使用函數(shù)調(diào)用：max（1.1， 2.2）; 編譯報錯：類型不匹配。

此時，使用宏來實現(xiàn)的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了：因為宏中沒有類型的概念，調(diào)用者傳入任何數(shù)據(jù)類型都可以，然后在后面的比較操作中，大于或小于操作都是利用了 C 語言本身的語法來執(zhí)行。

如果使用函數(shù)來實現(xiàn)，那么就必須再定義一個用來操作浮點型的函數(shù)，以后還有可能比較：char 型、long 型數(shù)據(jù)等等。

在 C++ 中，這樣的操作可以通過參數(shù)模板來實現(xiàn)，所謂的模板也是一種代碼動態(tài)生成機制。當定義了一個函數(shù)模板后，根據(jù)調(diào)用者的實參，來動態(tài)產(chǎn)生多個函數(shù)。例如定義下面這個函數(shù)模板：

template《typename T》 T max（T a， T b）{ if （a 》 b） return a; return b;}

max（1， 2）; // 實參是整型max（1.1， 2，2）; // 實參是浮點型

當編譯器看到 max（1， 2） 時，就會動態(tài)生成一個函數(shù) int max（int a， int b） { 。.. }；

當編譯器看到 max（1.1， 2.2） 時，又會動態(tài)生成另一個函數(shù) float max（float a， float b） { 。.. }。

所以，從代碼的動態(tài)生成角度看，宏定義和 C++ 中的模板參數(shù)有點神似，只不過宏定義僅僅是代碼擴展而已。

下面這個例子也比較不錯，利用宏的類型無關(guān)，來動態(tài)生成結(jié)構(gòu)體：

#define VEC（T） struct vector_##T { T *data; size_t size; };

int main（）{ VEC（int） vec_1 = { .data = NULL， .size = 0 }; VEC（float） vec_2 = { .data = NULL， .size = 0 };}

這個例子中用到了 ##，下面會解釋這個知識點。在前面的例子中，宏的參數(shù)傳遞的都是一些變量，而這里傳遞的宏參數(shù)是數(shù)據(jù)類型，通過宏的類型無關(guān)性，達到了“動態(tài)”創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體的目的：

struct vector_int { int *data; size_t size;}

struct vector_float { float *data; size_t size;}

這里有一個陷阱需要注意：傳遞的數(shù)據(jù)類型中不能有空格，如果這樣使用：VEC（long long），那替換之后得到：

struct vector_long long { // 語法錯誤 long long *data; size_t size;}

四、符號：# 與 ##這兩個符號在編程中的作用也是非常巧妙，夸張的說一句：在任何框架性代碼中，都能見到它們的身影！作用如下：

#：把參數(shù)轉(zhuǎn)換成字符串;

##：連接參數(shù)。

1. #： 字符串化

直接看最簡單的例子：

#define STR（x） #xprintf（“string of 123： %s

”， STR（123））;

傳入的是一個數(shù)字 123，輸出的結(jié)果是字符串 “123”，這就是字符串化。

2. ##：參數(shù)連接

把宏中的參數(shù)按照字符進行拼接，從而得到一個新的標識符，例如：

#define MAKE_VAR（name， no） name##no

int main（void）{ int MAKE_VAR（a， 1） = 1; int MAKE_VAR（b， 2） = 2;

printf（“a1 = %d

”， a1）; printf（“b2 = %d

”， b2）; return 0;}

當調(diào)用宏 MAKE_VAR（a， 1） 后，符號 ## 把兩側(cè)的 name 和 no 首先替換為 a 和 1，然后連接得到 a1。然后在調(diào)用語句中前面的 int 數(shù)據(jù)類型就說明了 a1 是一個整型數(shù)據(jù)，最后初始化為 1。

五、可變參數(shù)的處理1. 參數(shù)名的定義和使用

宏定義的參數(shù)個數(shù)可以是不確定的，就像調(diào)用 printf 打印函數(shù)一樣，在定義的時候，可以使用三個點（。..）來表示可變參數(shù)，也可以在三個點的前面加上可變參數(shù)的名稱。

如果使用三個點（。..）來接收可變參數(shù)，那么在使用的時候就需要使用 __VA_ARGS__ 來表示可變參數(shù)，如下：

#define debug1（。..） printf（__VA_ARGS__）

debug1（“this is debug1： %d

”， 1）;

如果在三個點（。..）的前面加上了一個參數(shù)名，那么在使用時就一定要使用這個參數(shù)名，而不能使用 __VA_ARGS__ 來表示可變參數(shù)，如下：

#define debug2（args.。.） printf（args）

debug1（“this is debug2： %d

”， 2）;

2. 可變參數(shù)個數(shù)為零的處理

看一下這個宏：

#define debug3（format， 。..） printf（format， __VA_ARGS__）

debug3（“this is debug4： %d

”， 4）;

編譯、執(zhí)行都沒有問題。但是如果這樣來使用宏：

debug3（“hello

”）;

編譯的時候，會出現(xiàn)錯誤： error： expected expression before ‘）’ token。為什么呢？

看一下宏擴展之后的代碼（__VA_ARGS__為空）：

printf（“hello

”，）;

看出問題了吧？在格式化字符串的后面多了一個逗號！為了解決問題，預處理器給我們提供了一個方法：通過 ## 符號把這個多余的逗號給自動刪掉。于是宏定義改成下面這樣就沒有問題了。

#define debug3（format， 。..） printf（format， ##__VA_ARGS__）

類似的，如果自己定義了可變參數(shù)的名字，也在前面加上 ##，如下：

#define debug4（format， args.。.） printf（format， ##args）

六、奇思妙想的宏宏擴展的本質(zhì)就是文本替換，但是一旦加上可變參數(shù)（__VA_ARGS__）和 ## 的連接功能，就能夠變化出無窮的想象力。

我一直堅信，模仿是成為高手的第一步，只有見多識廣、多看、多學習別人是怎么來使用宏的，然后拿來為己所用，按照“先僵化-再優(yōu)化-最后固化”這個步驟來訓練，總有一天你也能成為高手。

這里我們就來看幾個利用宏定義的巧妙實現(xiàn)。

1. 日志功能

在代碼中添加日志功能，幾乎是每個產(chǎn)品的標配了，一般見到最普遍的是下面這樣的用法：

#ifdef DEBUG #define LOG（。..） printf（__VA_ARGS__）#else #define LOG（。..） #endif

int main（）{ LOG（“name = %s， age = %d

”， “zhangsan”， 20）; return 0;}

在編譯的時候，如果需要輸出日志功能就傳入宏定義 DEBUG，這樣就能打印輸出調(diào)試信息，當然實際的產(chǎn)品中需要寫入到文件中。如果不需要打印語句，通過把打印日志信息那條語句定義為空語句來達到目的。

換個思路，我們還可以通過條件判斷語句來控制打印信息，如下：

#ifdef DEBUG #define debug if（1）#else #define debug if（0）#endif

int main（）{ debug { printf（“name = %s， age = %d

”， “zhangsan”， 20）; } return 0;}

這樣控制日志信息的看到的不多，但是也能達到目的，放在這里只是給大家開闊一下思路。

2. 利用宏來迭代每個參數(shù)

#define first（x， 。..） #x#define rest（x， 。..） #__VA_ARGS__

#define destructive（。..） do { printf（“first is： %s

”， first（__VA_ARGS__））; printf（“rest are： %s

”， rest（__VA_ARGS__））; } while （0）

int main（void）{ destructive（1， 2， 3）; return 0;}

主要的思想就是：每次把可變參數(shù) VA_ARGS 中的第一個參數(shù)給分離出來，然后把后面的參數(shù)再遞歸處理，這樣就可以分離出每一個參數(shù)了。我記得侯杰老師在 C++ 的視屏中，利用可變參數(shù)模板這個語法，也實現(xiàn)了類似的功能。

剛才在有道筆記中居然找到了侯杰老師演示的代碼，熟悉 C++ 的小伙伴可以研究下下面這段代碼：

// 遞歸的最后一次調(diào)用void myprint（）{}

template 《typename T， typename.。. Types》void myprint（const T &first， const Types&.。. args）{ std：：cout 《《 first 《《 std：：endl; std：：cout 《《 “remain args size = ” 《《 sizeof.。.（args） 《《 std：：endl; // 把其他參數(shù)遞歸調(diào)用 myprint（args.。.）;}

int main（）{ myprint（“aaa”， 7.5， 100）; return 0;}

3. 動態(tài)的調(diào)用不同的函數(shù)

// 普通的枚舉類型enum { ERR_One， ERR_Two， ERR_Three};

// 利用 ## 的拼接功能，動態(tài)產(chǎn)生 case 中的比較值，以及函數(shù)名。#define TEST（no） case ERR_##no： Func_##no（）; break;

void Func_One（）{ printf（“this is Func_One

”）;}

void Func_Two（）{ printf（“this is Func_Two

”）;}

void Func_Three（）{ printf（“this is Func_Three

”）;}

int main（）{ int c = ERR_Two; switch （c） { TEST（One）; TEST（Two）; TEST（Three）; };

return 0;}

在這個例子中，核心在于 TEST 宏定義，通過 ## 拼接功能，構(gòu)造出 case 分支的比較目標，然后動態(tài)拼接得到對應的函數(shù)，最后調(diào)用這個函數(shù)。

4. 動態(tài)創(chuàng)建錯誤編碼與對應的錯誤字符串

這也是一個非常巧妙的例子，利用了 #（字符串化） 和 ##（拼接） 這 2 個功能來動態(tài)生成錯誤編碼碼和相應的錯誤字符串：

#define MY_ERRORS E（TOO_SMALL） E（TOO_BIG） E（INVALID_VARS）

#define E（e） Error_## e，typedef enum { MY_ERRORS} MyEnums;#undef E

#define E（e） #e，const char *ErrorStrings［］ = { MY_ERRORS};#undef E

int main（）{ printf（“%d - %s

”， Error_TOO_SMALL， ErrorStrings［0］）; printf（“%d - %s

”， Error_TOO_BIG， ErrorStrings［1］）; printf（“%d - %s

”， Error_INVALID_VARS， ErrorStrings［2］）;

return 0;}

我們把宏展開之后，得到一個枚舉類型和一個字符串常量數(shù)組：

typedef enum { Error_TOO_SMALL， Error_TOO_BIG， Error_INVALID_VARS，} MyEnums;

const char *ErrorStrings［］ = { “TOO_SMALL”， “TOO_BIG”， “INVALID_VARS”，};

宏擴展之后的代碼是不是很簡單啊。編譯、執(zhí)行結(jié)果如下：

0 - TOO_SMALL 1 - TOO_BIG 2 - INVALID_VARS

七、總結(jié)有些人對宏愛之要死，多到濫用的程度；而有些人對宏恨之入骨，甚至用上了邪惡（evil）這個詞！其實宏對于 C 來說，就像菜刀對于廚師和歹徒一樣：用的好，可以讓代碼結(jié)構(gòu)簡潔、后期維護特別方便；用的不好，就會引入晦澀的語法、難以調(diào)試的 Bug。

對于我們開發(fā)人員來說，只要在程序的執(zhí)行效率、代碼的可維護性上做好平衡就可以了。

原文標題：提高代碼逼格的利器：宏定義-從入門到放棄

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責任編輯：haq