软件技术基础

编译预处理

施展
武汉光电国家研究中心 & 计算机学院
华中科技大学

本章重点

  • 宏定义 #define
    • 无参宏定义
    • 带参宏定义 ✅
  • 条件编译

基本概念

编译预处理：对源程序进行编译之前所作的工作，它由预处理程序负责完成。编译时，系统将自动引用预处理程序对源程序中的预处理指令进行处理。

预处理指令：以"#"号开始的指令。

文件包含 #include

用指定文件的内容取代该预处理指令行，有2种一般形式：

（1）#include <文件名>

在指定的标准目录下寻找被包含文件

（2）#include "文件名"

首先在用户当前目录中寻找被包含文件，若找不到，再在指定的标准目录下寻找

宏定义 #define

用一个标识符来表示一个字符串

#define 标识符 字符串

宏名：被定义的标识符。
宏代换（宏展开）：在编译预处理时，用字符串去取代宏名。

宏展开示例

预处理前

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

预处理后

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

带参数的宏定义

#define 标识符(标识符，标识符，…，标识符) 字符串

宏调用：给出实参
宏展开：

  1. 用字符串替换宏
  2. 用实参去替换形参

带参宏示例

#define SQ(x) ((x)*(x))

宏调用：SQ(a+1)
宏展开：((a+1) * (a+1))

宏调用：SQ(SQ(a))
宏展开：((((a)*(a))) * (((a)*(a))))

为什么要这么多的括号？

错误示例1

#define SQ(x) x*x
SQ(a+b)  // 展开为: a+b*a+b

错误示例2

#define SQ(x) (x)*(x)
27/SQ(3)  // 展开为: 27/(3)*(3)

正确做法：表达式中的每个参数用括号括起来，整个表达式也用括号括起来。

注意：宏名和左括号之间不能有空格

#define SQ (x) ((x)*(x))  // 错误！被认为是无参宏定义

宏调用：SQ(3)
宏展开：(x) ((x)*(x)) (3) // 显然错误的

宏的特点

  • 优点：节省函数调用的开销，程序运行速度更快，形式参数不分配内存单元，不必作类型说明
  • 缺点：宏展开后使源程序增长
  • 适用场景：经常使用的简短表达式，以及小的可重复的代码段
  • 不适用场景：任务复杂需要多行代码，或要求程序越小越好时，应该使用函数

取消宏定义 #undef

终止宏名的作用域，形式为：

#undef 标识符

使用场景1：防止宏名冲突

#include "everything.h"
#undef SIZE      // 取消everything.h中定义的SIZE
#define SIZE 100 // 重新定义

使用场景2：保证调用实际函数

#undef getchar
int getchar(void) {…}

条件编译

预处理程序提供了条件编译指令，用于在预处理中进行条件控制，根据所求条件的值有选择地包含不同的程序部分，因而产生不同的目标代码。

三种形式：#if、#ifdef、#ifndef

条件编译示例：计算圆形面积

预处理前（定义R）

#define R
int main(void)
{
    float r, s;
    printf("input a number: ");
    scanf("%f", &r);
#ifdef R
    s = 3.14159 * r * r;
    printf("%f\n", s);
#else
    s = r * r;
    printf("%f\n", s);
#endif
    return 0;
}

预处理后（圆形）

int  main(void)
{
    float  r，s;
    printf (“input a number: ”);
    scanf(“%f ”，&r);
    s=3.14159*r*r;
    printf(“%f\n”，s)；
    return 0；
}

生成计算圆面积的目标程序

条件编译示例：计算方形面积

预处理前（未定义R）

// #define R
void main(void)
{
    float c, s;
    printf("input a number: ");
    scanf("%f", &c);
#ifdef R
    s = 3.14159 * c * c;
    printf("%f\n", s);
#else
    s = c * c;
    printf("%f\n", s);
#endif
}

预处理后（方形）

// #define R
void main(void)
{
    float c, s;
    printf("input a number: ");
    scanf("%f", &c);
    s = c * c;
    printf("%f\n", s);
}

生成计算正方形面积的目标程序

条件编译应用：调试程序

临时忽略代码

#if 0
    // 不编译的代码
#endif

调试跟踪

#define DEBUG  // 完成调试后，去掉该指令

#ifdef DEBUG
    printf("x=%d\n", x);
#endif

#ifdef DEBUG
    printf("y=%d\n", y);
#endif

条件编译应用：assert宏

在头文件assert.h中，测试表达式的值是否符合要求：

assert(e)

执行流程

如果n < 0，会输出包含行号和文件名的错误信息并中断执行：

Assertion failed: n >= 0, file test.c, line 32

assert宏与防御性编程

防御性编程：使用户在运行程序（发布版本里）时，当出现意外情况时程序仍能继续工作。

断言的作用：看作一种简单的制造栅栏的方法，这种栅栏能使错误在穿过自己时暴露。

断言流程图

flowchart TD
    A[assert(e)] --> B{e为真？}
    B -->|是| C[继续执行]
    B -->|否| D[输出错误信息\n文件、行号]
    D --> E[程序中断]

总结

  • 宏定义用于代码复用和性能优化。
  • 条件编译用于跨平台、调试和代码裁剪。
  • 断言用于开发和调试阶段的错误检测。