輕松學(xué)C++之預(yù)處理與宏

第15章 預(yù)處理和宏 程序在編譯之前先要經(jīng)過預(yù)編譯階段。預(yù)編譯的任務(wù)是根據(jù)程序中的宏指令補(bǔ)充和完善源代碼。有了宏指令，可以使得某些源代碼編輯任務(wù)變得輕松，同時(shí)也可以控制哪些源代碼需要編譯，哪些不需要編譯。15.1

預(yù)處理概述

預(yù)處理器是專門用來處理宏指令的程序。在編譯器運(yùn)行之前，會先運(yùn)行預(yù)處理器，查找所有的預(yù)處理指令。預(yù)處理指令以“#”開頭，而且不以“;”結(jié)束，以區(qū)別于一般的語句。預(yù)處理器根據(jù)預(yù)處理指令生成新的源代碼文件（臨時(shí)文件，可以通過編譯器的選項(xiàng)輸出到指定目錄中）。

編譯器的作用是把源代碼轉(zhuǎn)換成匯編語言或機(jī)器指令。但是，編譯器并不是直接編譯程序員寫成的源文件，而是編譯經(jīng)預(yù)處理器處理后所產(chǎn)生的新的源文件。這些新的源文件經(jīng)過編譯器生成目標(biāo)文件，再經(jīng)過鏈接器生成最終的可執(zhí)行程序。

預(yù)處理器的任務(wù)就是執(zhí)行源代碼中的預(yù)處理指令，并對源代碼進(jìn)行相應(yīng)的處理。因此，從預(yù)處理指令的類型來講，預(yù)處理器的任務(wù)有這幾部分：將其他文件包含到當(dāng)前文件中、定義宏、定義類似函數(shù)的宏、實(shí)施條件編譯。接下來，將詳細(xì)介紹預(yù)處理器的各項(xiàng)任務(wù)。15.2

宏

所謂宏，是程序中定義的用于替換復(fù)雜文本的簡短文本。宏定義的一般格式如圖15-1所示：圖15-1宏的定義

宏名，即宏的名稱，在預(yù)編譯時(shí)被可替換文本替換?？商鎿Q文本，即宏名所指代的文本內(nèi)容。在#define、宏名和可替換文本之間用空格（制表符）分隔。預(yù)編譯程序?qū)?define之后的第一個(gè)和第二個(gè)空格之間的文本作為宏名，其后所有文本作為“可替換文本”，而不管中間有多少個(gè)空格。15.2.1

宏展開

在程序的預(yù)編譯期，預(yù)編譯程序會解析源代碼文本，執(zhí)行替換源程序的動(dòng)作，把宏引用的地方替換成定義處的文本。這個(gè)動(dòng)作叫做宏的展開。圖15-2這段程序是宏的一個(gè)簡單例子。圖15-2宏的使用

上圖代碼中cout后面的NUMBER在預(yù)編譯時(shí)會被替換成100。

注意：在源代碼文本中，并不是所有的宏名出現(xiàn)的地方都會進(jìn)行展開。如果這個(gè)宏名出現(xiàn)在一個(gè)雙引號中，則該宏名就成了字符串的一部分，也就不會進(jìn)行展開了。15.2.2替代常量

用宏替代字面常量，其好處是直觀、簡潔、修改方

便。譬如對于圓周率，其值是一個(gè)無理常量

3.1415926···。如果在程序中每一處要使用圓周率地方都直接書寫這個(gè)常量，那么源代碼修改起來就不大方便。一旦要求改變數(shù)字的精度，則所有使用的地方都要修改。無疑修改量就比較大，而且也不能保證每一處都修改對。

如果使用宏替換字面常量，而程序中使用圓周率的地方都使用宏而非圓周率本身，那么當(dāng)修改圓周率數(shù)值時(shí)，只要修改這個(gè)宏定義即可，大大減少了編程人員的工作量。例如圖15-3所示代碼，用宏替換常量3.1415926。圖15-3宏替換字面常量

上圖中使用宏P(guān)I替換了常量3.1415926，若程序中的常量需要變化，則只需要更改宏定義即可。

相對于常量，使用宏也有缺點(diǎn)。字面常量在編譯時(shí)處理，有類型信息。而宏則是在預(yù)編譯時(shí)展開，只是進(jìn)行單純的文本替換，沒有類型信息。因此對于一些類型要求比較嚴(yán)格的地方，使用宏有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

定義宏時(shí)可以使用前面已經(jīng)定義的宏。例如：假設(shè)已經(jīng)存在一個(gè)宏NUMBER，其替換的文本是100，當(dāng)定義新的宏時(shí)，可以在宏的可替換文本中使用NUMBER，如圖15-4所示。圖15-4宏展開15.2.3替代運(yùn)算符 除了可以用宏替代字面常量，還可以用宏替代某些運(yùn)算符，包括加減乘除、邏輯與和邏輯非等，甚至函數(shù)和語句塊的花括號。利用這些宏定義，可以編寫出貌似違反C++語法、但實(shí)際上合法的源代碼。例如：如圖15-5所示的代碼。圖15-5宏替代運(yùn)算符15.3

帶參數(shù)的宏

簡單的宏定義，如上節(jié)例子所示，只能進(jìn)行簡單的文字替換，擴(kuò)展能力有限。如果宏能夠像函數(shù)那樣帶有參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)的不同自動(dòng)展開成不同的文本，則宏的擴(kuò)展能力將大大提高。實(shí)際上，在C++標(biāo)準(zhǔn)中，可以利用預(yù)處理命令#define定義帶參數(shù)的宏。15.3.1

定義帶參數(shù)的宏

有參數(shù)宏的宏名后需要帶參數(shù)，其語法格式如圖15-6所示：圖15-6帶參數(shù)宏的定義1

若可替換文本一行寫不完，可以分成多行，并在每一行的末尾加上分行的符號“\”（除了最后一行）。其語法格式如圖15-7所示：圖15-7帶參數(shù)宏的定義2

注意：要定義帶參數(shù)的宏，則在宏名和左括號之間不能有空格（或制表符），否則就成了普通的宏定義，括號及其里面的內(nèi)容也將會成為可替換文本的一部分。但是，在括號中的各個(gè)參數(shù)之間可以任意添加空格。

在可替換文本中可以引用括號中的參數(shù)，從而根據(jù)參數(shù)的不同，展開成不同的源代碼文本。例如，下例定義了一個(gè)宏，接受兩個(gè)參數(shù)，然后比較兩個(gè)參數(shù)的大小，并輸出其中的較小值，示例代碼如圖15-8所示。圖15-8帶參數(shù)的宏

注意：在上述例子中使用了帶參數(shù)的宏

LESS，但是在語句的結(jié)尾處并沒有分號。乍一看好像不符合C++的語法規(guī)范，但是實(shí)際上并沒有錯(cuò)。這是因?yàn)楹晔窃陬A(yù)編譯時(shí)處理的，而不是編譯期。而且，宏展開后的結(jié)果符合C++語法規(guī)范，所以這些語句的結(jié)尾處沒有分號并不會出錯(cuò)。15.3.2

注意宏展開的結(jié)果

宏的行為有時(shí)候和所認(rèn)知的行為會有些不同，主要原因是通常認(rèn)為宏作為語句塊，會優(yōu)先執(zhí)行，但這是不對的，宏并沒有那么“聰明”，或者可以說編譯器并沒有那么“聰明”，預(yù)編譯器所做的只是忠實(shí)地將宏展開。我們來看圖15-9所示的程序，預(yù)編譯器不會自作聰明為“x+x”加括號，因此最后輸出的結(jié)果是30。圖15-9帶參數(shù)宏的展開

如果憑借第一印象，很可能會做這樣的計(jì)算：5*（5+5）=50。但是，預(yù)編譯器并不這么認(rèn)為，而會做這樣的解釋：5*5+5=30。忠實(shí)的將原來的宏展開。所以讀者寫宏的時(shí)候一定要小心，預(yù)防宏的行為不符合預(yù)期。

若想讓結(jié)果輸出為50，只要給宏加上括號即可，如圖15-10所示。圖15-10展開宏時(shí)注意括號

上圖中的“cout<<5*INT(5)<<endl;”經(jīng)預(yù)處理后，轉(zhuǎn)換為“cout<<5*(5+5)<<endl;”。15.3.3帶參數(shù)的宏與函數(shù)的比較帶參數(shù)的宏在定義和使用方面同函數(shù)非常相似，都可以接受參數(shù)，并且可以根據(jù)不同的參數(shù)產(chǎn)生不同的結(jié)果。但是這兩者畢竟是不同的東西，存在很大差異，例如：間，程序運(yùn)行時(shí)并不存在。次，則其語句也將重復(fù)多次。換。息。（1）函數(shù)在運(yùn)行時(shí)依然存在，但宏只存在于預(yù)編譯期（2）函數(shù)所占內(nèi)存空間只有一份，但如果宏被調(diào)用多（3）函數(shù)調(diào)用有時(shí)間和空間方面的開銷，但宏沒有。（4）函數(shù)接受參數(shù)的傳遞，但宏只是對參數(shù)的簡單替（5）函數(shù)的參數(shù)有類型信息，但宏的參數(shù)沒有類型信（6）函數(shù)可以調(diào)試，宏不可以。15.4

條件編譯

條件編譯指令可以對程序源代碼的各部分有選擇的進(jìn)行編譯，該過程就稱為條件編譯。常見的條件編譯指令有#if、#elif、#else、#ifndef、#ifdef、#endif等。它們主用來在編譯時(shí)進(jìn)行選擇，屏蔽掉一些代碼。

以下內(nèi)容將對條件編譯內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)介紹。15.4.1宏指令

C++中的宏指令都是在ANSI標(biāo)準(zhǔn)中的，表

15-1列出了常見的宏指令。表15-1常見的宏指令

#define在前面已經(jīng)介紹過了，這里就不再討論。#error可以強(qiáng)迫編譯程序停止編譯，用來在編譯期間檢查環(huán)境是否符合要求或

者與約束的條件發(fā)生了沖突。其使用格式

如圖15-11所示：#define#error#include#if#else#elif#endif#ifdef#ifndef#undef#line#pragma圖15-11強(qiáng)迫停止編譯指令#error

當(dāng)程序遇到這個(gè)關(guān)鍵字，就會停止編譯，產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤信息，并且輸出后面的token-string。例如：#if

!defined(

cplusplus)#error

C++

compiler

required.#endif

上面這段代碼的意思是在預(yù)編譯期間檢查當(dāng)前的程序是否是C++編譯環(huán)境，如果不是，就定義#error，讓編譯器停止編譯。#if和#endif會在后面介紹，這里只需要將#if視為普通的if判斷

語句，將#endif看成if判斷的結(jié)束。

#include使編譯程序?qū)?include所指向的源文件導(dǎo)入進(jìn)當(dāng)前的源文件，被包含的文件必須被尖括號或者引號包圍起來。#if，#else，#elif，#endif，#ifdef和#ifndef屬于條件編命令，可以對程序的各個(gè)部分有選擇地進(jìn)行編譯。#undef命令用來取消前面定義過的宏名。來看一個(gè)宏使用的例子，如圖15-12所示。圖15-12宏指令的使用

在程序的第一行定義了NUMBER宏，在第六行輸出10。在第八行取消了NUMBER宏的定義，所以后面會輸出“找不到

NUMBER的定義”。15.4.2

條件編譯

#if，#else，#elif，#endif，#ifdef和#ifn是條件編譯命令。所謂條件編譯，就是可以將源文件中的代碼分成幾個(gè)部分，有選擇的編譯各個(gè)部分。對于前三個(gè)宏，可以理解為if，else和else

if，#endif表示這個(gè)條件編譯選擇的結(jié)束。看圖15-13中的代碼：圖15-13用#if、#else和#elif進(jìn)行條件編譯

程序的第一行定義NUMBER宏，令其等于5。后面的代碼判斷是否等于相應(yīng)的值，選擇性地編譯后面的語句，由于定義NUMBER等于5，編譯器輸出“Number

is

equal

to

5”

另一種條件編譯的方式就是使用#ifdef和#ifndef。同樣，這兩個(gè)命令也用#endif作為作用域的結(jié)束。#ifdef判斷后面的標(biāo)識符是否被定義，通常都是指預(yù)定義的宏，#ifndef就是#ifdef的取反?？磮D15-14中的程序。圖15-14用#ifdef和#ifndef進(jìn)行條件編譯

第四行判斷是否定義DEBUG標(biāo)識符（在第一行定義），然后編譯后面的語句。再來看一個(gè)例子，示例代碼如圖15-15所示。圖15-15條件編譯1

代碼第四行的disp函數(shù)中采用了條件編譯指令編寫，因?yàn)槌绦蛑卸x了WINDOWS宏，所以輸出“本程序當(dāng)前運(yùn)行在Windows環(huán)境下”，假若將“define

WINDOWS”語句注釋掉，程序?qū)⑤敵觥氨境绦蜻\(yùn)行在非

WINDOWS環(huán)境下”，如圖15-16所示。圖15-16條件編譯2

代碼第六行“#if

defined(WINDOWS)”語句中的“define（宏名）”的含義是若宏被定義則返回1，否則返回0，defined之間可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算。15.5

文件包含和頭文件衛(wèi)士15.5.1

包含文件指令

包含文件的預(yù)處理指令是“#include”，其作用就是將別的文件包含到當(dāng)前文件中。

在實(shí)際使用中，一般被包含的文件是頭文

件。頭文件中一般是函數(shù)、類等的聲明，

包含到當(dāng)前文件中后，就可以在當(dāng)前文件

中引用頭文件中的函數(shù)、類等。例如對于

下圖中的源代碼文件進(jìn)行預(yù)編譯后產(chǎn)生的

臨時(shí)源代碼文件如圖15-17所示。圖15-17包含頭文件按照C/C++的語法要求，要使用某個(gè)標(biāo)識符（變量、函數(shù)、類等），必須在使用之前

先聲明。雖然在Some.cpp文件中沒有函數(shù)

SomeFunction的聲明，但是由于包含了頭文件header.h，所以仍然可以使用該函數(shù)。15.5.2

搜索頭文件

使用“#include”指令包含頭文件時(shí)，其后的頭文件有兩種方式，一種是使用雙引號，一種是使用尖括號。如圖15-18所示。圖15-18頭文件的兩種包含方式如果文件名用尖括號括起來，表明這個(gè)文件是一個(gè)工程或C++標(biāo)準(zhǔn)庫頭文件。預(yù)編譯器會首先搜索在工程中預(yù)定義的目錄，然后搜索C++編譯器的安裝目錄?？梢酝ㄟ^設(shè)置工程搜索路徑環(huán)境變量或命令行選項(xiàng)來修改。如果文件名用一對引號括起來，則表明該文件是用戶提供的頭文件。預(yù)編譯器首先從當(dāng)前文件目錄開始搜索，如果找不到，就從工程中定義的目錄和編輯器的安裝目錄查找。15.5.3

頭文件衛(wèi)士

當(dāng)工程中文件眾多是，很有可能出現(xiàn)一個(gè)頭文件被多次包含的情況。但是，C++中同一個(gè)類型被聲明兩次是非法的，來看一個(gè)例子。，如圖15-19所示，文件Animal.h中定義了類CAnimal，文件pig.h中定義了類

CPig，文件horse.h中定義了類CHorse，主函數(shù)中用類CPig和CHorse分別定義了變量

pig和horse。圖15-19重復(fù)定義1

如上圖所示，在main函數(shù)中使用了CHorse和CPig兩個(gè)類，所以需要包含這兩個(gè)類的頭文件，但是，這兩個(gè)類都包含CAnimal的定義，編譯器不知道該選擇哪個(gè)，會報(bào)告重復(fù)定義的錯(cuò)誤。如下圖15-20所示，對上述代碼進(jìn)行編譯，編譯器給出了錯(cuò)誤信息。圖15-20 重復(fù)定義2為了避免因?yàn)橹貜?fù)包含頭文件而重復(fù)定義類型，導(dǎo)致編譯失敗，這個(gè)時(shí)候就需要頭文件衛(wèi)士的幫助。所謂頭文件衛(wèi)士就是用一組宏命令將頭文件包起來，使其不會被重復(fù)包含，看Animal.h的例子：#ifndef

ANIMAL_H#define

ANIMAL_H??#endif#ifndef是定義在頭文件所有內(nèi)容之前的，#endif是定義在所有內(nèi)容之后的，用預(yù)編譯命令#ifndef和#endif將整個(gè)Animal.h頭文件中的內(nèi)容包含起來。這樣便不會有編譯錯(cuò)誤了，下面來分析一下。

當(dāng)main函數(shù)所在文件第一次包含pig.h文件時(shí)，同時(shí)會導(dǎo)入Animal.h中的內(nèi)容，這時(shí)預(yù)編譯器分析當(dāng)前文件沒有定義ANIMAL_H，就會在當(dāng)前文件中定義。當(dāng)再次包含horse.h文件時(shí)，導(dǎo)入Animal.h，發(fā)現(xiàn)文件中已經(jīng)定義了ANIMAL_H，就會查找#else或者

#endif，這時(shí)會直接跳轉(zhuǎn)到#endif，不會包含當(dāng)前文件的任何內(nèi)容。

同理，如果有人想繼續(xù)從Horse上繼承，例如Whitehorse