C语言的本质（19）——预处理之一：宏定义

我们在写代码时已多次使用过以“#”号开头的预处理命令。如包含命令#include，宏定义命令#define等。在源程序中这些命令都放在函数之外，而且一般都放在源文件的前面，它们称为预处理部分。

所谓预处理是指在进行编译的第一遍扫描（词法扫描和语法分析）之前所作的工作。预处理是C语言的一个重要功能，它由预处理程序负责完成。当对一个源文件进行编译时，系统将自动引用预处理程序对源程序中的预处理部分作处理，处理完毕自动进入对源程序的编译。

C语言提供了多种预处理功能，如宏定义、文件包含、条件编译等。合理地使用预处理功能编写的程序便于阅读、修改、移植和调试，也有利于模块化程序设计。本章介绍常用的几种预处理功能。

在C语言源程序中允许用一个标识符来表示一个字符串，称为“宏”。被定义为“宏”的标识符称为“宏名”。在编译预处理时，对程序中所有出现的“宏名”，都用宏定义中的字符串去代换，这称为“宏代换”或“宏展开”。

宏定义是由源程序中的宏定义命令完成的。宏代换是由预处理程序自动完成的。在C语言中，“宏”分为有参数和无参数两种。

无参宏定义

无参宏的宏名后不带参数。其定义的一般形式为：

   #define  标识符  字符串

其中的“#”表示这是一条预处理命令。凡是以“#”开头的均为预处理命令。“define”为宏定义命令。“标识符”为所定义的宏名。“字符串”可以是常数、表达式、格式串等。

在前面介绍过的符号常量的定义就是一种无参宏定义。此外，常对程序中反复使用的表达式进行宏定义。例如：

#define M (y*y+3*y)

它的作用是指定标识符M来代替表达式(y*y+3*y)。在编写源程序时，所有的(y*y+3*y)都可由M代替，而对源程序作编译时，将先由预处理程序进行宏代换，即用(y*y+3*y)表达式去置换所有的宏名M，然后再进行编译。

#define M (y*y+3*y)
int main(void)
{
   int s,y;
   printf("input a number: ");
   scanf("%d",&y);
   s=3*M+4*M+5*M;
   printf("s=%d\n",s);
}

上例程序中首先进行宏定义，定义M来替代表达式(y*y+3*y)，在s=3*M+4*M+5*M中作了宏调用。在预处理时经宏展开后该语句变为：

s=3*(y*y+3*y)+4*(y*y+3*y)+5*(y*y+3*y);

但要注意的是，在宏定义中表达式(y*y+3*y)两边的括号不能少。否则会发生错误。如当作以下定义后：

#difine M y*y+3*y

在宏展开时将得到下述语句：

s=3*y*y+3*y+4*y*y+3*y+5*y*y+3*y;

这相当于：

   3y2+3y+4y2+3y+5y2+3y

显然与原题意要求不符。计算结果当然是错误的。因此在作宏定义时必须十分注意。应保证在宏代换之后不发生错误。

对于宏定义还要说明以下几点：

1、宏定义是用宏名来表示一个字符串，在宏展开时又以该字符串取代宏名，这只是一种简单的代换，字符串中可以含任何字符，可以是常数，也可以是表达式，预处理程序对它不作任何检查。如有错误，只能在编译已被宏展开后的源程序时发现。

2、 宏定义不是说明或语句，在行末不必加分号，如加上分号则连分号也一起置换。

3、宏定义必须写在函数之外，其作用域为宏定义命令起到源程序结束。如要终止其作用域可使用#undef命令。例如：

#define PI 3.14159
int main(void)
{
   /* …… */
}
#undef PI
f1(){
   /* …… */
}

表示PI只在main函数中有效，在f1中无效。

4、 宏名在源程序中若用引号括起来，则预处理程序不对其作宏代换。例如：

#define OK 100
int main(void)
{
   printf("OK");
   printf("\n");
}

上例中定义宏名OK表示100，但在printf语句中OK被引号括起来，因此不作宏代换。程序的运行结果为：OK这表示把“OK”当字符串处理。

5、宏定义允许嵌套，在宏定义的字符串中可以使用已经定义的宏名。在宏展开时由预处理程序层层代换。例如：

#define PI 3.1415926
#define S PI*y*y    /* PI是已定义的宏名*/

对语句：

printf("%f",S);

在宏代换后变为：

printf("%f",3.1415926*y*y);

6、习惯上宏名用大写字母表示，以便于与变量区别。但也允许用小写字母。

7、可用宏定义表示数据类型，使书写方便。例如：

#define STU struct stu

在程序中可用STU作变量说明：

STU body[5],*p;
#define INTEGER int

在程序中即可用INTEGER作整型变量说明：

INTEGER a,b;

应注意用宏定义表示数据类型和用typedef定义数据说明符的区别。宏定义只是简单的字符串代换，是在预处理完成的，而typedef是在编译时处理的，它不是作简单的代换，而是对类型说明符重新命名。被命名的标识符具有类型定义说明的功能。

#define PIN1 int *
typedef (int *) PIN2;

从形式上看这两者相似，但在实际使用中却不相同。

下面用PIN1，PIN2说明变量时就可以看出它们的区别：

PIN1 a,b;

在宏代换后变成：

int *a,b;

表示a是指向整型的指针变量，而b是整型变量。然而：

PIN2 a,b;

表示a、b都是指向整型的指针变量。因为PIN2是一个类型说明符。由这个例子可见，宏定义虽然也可表示数据类型，但毕竟是作字符代换。在使用时要分外小心，以避出错。

8、对“输出格式”作宏定义，可以减少书写麻烦。

#define P printf
#define D "%d\n"
#define F "%f\n"
int main(void)
{
   int a=5, c=8, e=11;
   float b=3.8, d=9.7, f=21.08;
   P(D F,a,b);
   P(D F,c,d);
   P(D F,e,f);
}
 

带参数的宏

C语言允许宏带有参数。在宏定义中的参数称为形式参数，在宏调用中的参数称为实际参数。对带参数的宏，在调用中，不仅要宏展开，而且要用实参去代换形参。

带参宏定义的一般形式为：

   #define  宏名(形参表)  字符串

在字符串中含有各个形参。

带参宏调用的一般形式为：

    宏名(实参表);

例如：

#define M(y) y*y+3*y    /*宏定义*/
/* …… */
k=M(5);   /*宏调用*/

在宏调用时，用实参5去代替形参y，经预处理宏展开后的语句为：

k=5*5+3*5

#define MAX(a,b) (a>b) ? a : b
int main(void)
{
   int x,y,max;
   printf("input two numbers:   ");
   scanf("%d%d",&x,&y);
   max=MAX(x,y);
   printf("max=%d\n",max);
}

上例程序的第一行进行带参宏定义，用宏名MAX表示条件表达式(a>b)?a:b，形参a、b均出现在条件表达式中。程序第6行max=MAX(x,y)为宏调用，实参x、y，将代换形参a、b。宏展开后该语句为：

max=(x>y) ? x : y;

用于计算x、y中的大数。

对于带参的宏定义有以下问题需要说明：

1、 带参宏定义中，形参之间可以出现空格，但是宏名和形参表之间不能有空格出现。例如把：

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

写为：

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

将被认为是无参宏定义，宏名MAX代表字符串 (a,b) (a>b)?a:b。宏展开时，宏调用语句：

max=MAX(x,y);

将变为：

max=(a,b)(a>b)?a:b(x,y);

这显然是错误的。

2、 在带参宏定义中，形式参数不分配内存单元，因此不必作类型定义。而宏调用中的实参有具体的值。要用它们去代换形参，因此必须作类型说明。这是与函数中的情况不同的。在函数中，形参和实参是两个不同的量，各有自己的作用域，调用时要把实参值赋予形参，进行“值传递”。而在带参宏中，只是符号代换，不存在值传递的问题。

3、 在宏定义中的形参是标识符，而宏调用中的实参可以是表达式。

#define SQ(y) (y)*(y)
int main(void)
{
   int a,sq;
   printf("input a number:   ");
   scanf("%d",&a);
   sq=SQ(a+1);
   printf("sq=%d\n",sq);
}

上例中第1行为宏定义，形参为y。程序第6行宏调用中实参为a+1，是一个表达式，在宏展开时，用a+1代换y，再用(y)*(y) 代换SQ，得到如下语句：

sq=(a+1)*(a+1);

这与函数的调用是不同的，函数调用时要把实参表达式的值求出来再赋予形参。而宏代换中对实参表达式不作计算直接地照原样代换。

4、在宏定义中，字符串内的形参通常要用括号括起来以避免出错。在上例中的宏定义中(y)*(y)表达式的y都用括号括起来，因此结果是正确的。如果去掉括号，把程序改为以下形式：

#define SQ(y) y*y
int main(void)
{
   int a,sq;
   printf("input a number:   ");
   scanf("%d",&a);
   sq=SQ(a+1);
   printf("sq=%d\n",sq);
}

运行结果为：

   input a number:3
   sq=7

同样输入3，但结果却是不一样的。问题在哪里呢？这是由于代换只作符号代换而不作其它处理而造成的。宏代换后将得到以下语句：

sq=a+1*a+1;

由于a为3故sq的值为7。这显然与题意相违，因此参数两边的括号是不能少的。即使在参数两边加括号还是不够的：

#define SQ(y) (y)*(y)
int main(void){
   int a,sq;
   printf("input a number:    ");
   scanf("%d",&a);
   sq=160/SQ(a+1);
   printf("sq=%d\n",sq);
}

本程序与前例相比，只把宏调用语句改为：

sq=160/SQ(a+1);

运行本程序如输入值仍为3时，希望结果为10。但实际运行的结果如下：

   input a number:3
   sq=160

为什么会得这样的结果呢?分析宏调用语句，在宏代换之后变为：

sq=160/(a+1)*(a+1);

a为3时，由于“/”和“*”运算符优先级和结合性相同，则先作160/(3+1)得40，再作40*(3+1)最后得160。为了得到正确答案应在宏定义中的整个字符串外加括号，我们把程序修改一下：

#define SQ(y) ((y)*(y))
int main(void)
{
   int a,sq;
   printf("input a number:   ");
   scanf("%d",&a);
   sq=160/SQ(a+1);
   printf("sq=%d\n",sq);
}

以上讨论说明，对于宏定义不仅应在参数两侧加括号，也应在整个字符串外加括号。

带参的宏和带参函数很相似，但有本质上的不同，除上面已谈到的各点外，把同一表达式用函数处理与用宏处理两者的结果有可能是不同的。

宏定义也可用来定义多个语句，在宏调用时，把这些语句又代换到源程序内。看下面的例子。

#define SSSV(s1,s2,s3,v)s1=l*w;s2=l*h;s3=w*h;v=w*l*h;
int main(void)
{
   int l=3,w=4,h=5,sa,sb,sc,vv;
   SSSV(sa,sb,sc,vv);
   printf("sa=%d\nsb=%d\nsc=%d\nvv=%d\n",sa,sb,sc,vv);
}

程序第一行为宏定义，用宏名SSSV表示4个赋值语句，4 个形参分别为4个赋值符左部的变量。在宏调用时，把4个语句展开并用实参代替形参。使计算结果送入实参之中。