第14章 预处理器
14.1 预定义符号
预处理器在编译之前会对源代码进行处理，它识别一些预定义符号，这些符号提供了有关编译环境和源文件的信息。常见的预定义符号有：
__LINE__：当前源代码文件中的行号，是一个整数常量。在调试时，它可以帮助定位代码中的错误位置。例如：
#include <stdio.h>
int main() {
printf("This line number is %d\n", __LINE__);
return 0;
}
运行上述代码，会输出当前printf语句所在的行号。
__FILE__：当前源代码文件的名称，是一个字符串常量。它有助于在多个源文件的项目中确定错误或日志的来源。__DATE__：表示源代码被编译的日期，格式为"Mmm dd yyyy"，例如"Aug 10 2023"，是一个字符串常量。__TIME__：表示源代码被编译的时间，格式为"hh:mm:ss"，是一个字符串常量。
14.2 #define
#define是预处理器指令，用于定义符号常量或宏。
14.2.1 宏
宏是一种代码替换机制，通过#define定义一个标识符，在编译预处理阶段，预处理器会将源代码中出现的该标识符替换为指定的文本。例如：
#define PI 3.14159
在后续代码中，所有出现PI的地方都会被替换为3.14159。宏不仅可以定义常量，还能定义更复杂的代码片段。例如：
#define SQUARE(x) ((x) * (x))
这里定义了一个宏SQUARE，它接受一个参数x，并将其替换为((x) * (x))。使用时，如int result = SQUARE(5);，在预处理后会变成int result = ((5) * (5));。
14.2.2 #define替换
在预处理阶段，预处理器按照从左到右的顺序对源文件进行扫描，当遇到#define定义的标识符时，就会进行替换。替换过程简单直接，不会进行语法检查，所以在定义宏时要特别小心，确保替换后的代码在语法上是正确的。例如：
#define ADD(a, b) a + b
int result = ADD(3, 5) * 2;
这里宏ADD简单地将a + b替换进来，所以上述代码在预处理后变为int result = 3 + 5 * 2;，结果是13，而不是可能期望的(3 + 5) * 2 = 16。为了避免这种错误，在定义宏时要适当添加括号，如#define ADD(a, b) ((a) + (b))。
14.2.3 宏与函数
宏和函数都可以实现代码复用，但它们有一些重要区别：
- 调用方式：函数调用在运行时进行，需要传递参数、保存现场、跳转等操作，有一定的开销；而宏替换在编译预处理阶段完成，没有运行时开销。
- 类型检查：函数调用会进行参数类型检查，不符合类型要求会报错；宏只是简单的文本替换，不进行类型检查。例如：
#define MAX(a, b) ((a) > (b)? (a) : (b))
int main() {
int result1 = MAX(3, 5);
double result2 = MAX(3.5, 2.1);
return 0;
}
这里宏MAX可以用于不同类型的数据，而函数要实现同样功能则需要重载（在C++中）或使用泛型（C11引入的特性）。
- 代码膨胀：宏替换会导致代码膨胀，因为每次使用宏都会将其展开；函数调用不会导致代码膨胀，无论调用多少次，函数代码只有一份。
14.2.4 带副作用的宏参数
如果宏的参数在表达式中有副作用（如自增、自减运算符），可能会导致意想不到的结果。例如：
#define MULTIPLY(a, b) ((a) * (b))
int num = 3;
int result = MULTIPLY(num++, num++);
这里宏展开后是((num++) * (num++))，由于自增运算符的副作用，不同编译器对num的求值顺序可能不同，导致结果不确定。所以在使用带副作用的参数时要特别小心。
14.2.5 命名约定
为了与变量和函数名区分开，通常宏名使用全大写字母命名，单词之间用下划线分隔。例如MAX_VALUE、MIN_ELEMENT等，这样可以提高代码的可读性，让开发者一眼就能识别出宏。
14.2.6 #undef
#undef指令用于取消之前通过#define定义的宏。例如：
#define PI 3.14159
// 一些使用PI的代码
#undef PI
// 之后再使用PI会报错，因为它已被取消定义
#undef在需要临时改变宏定义或避免宏定义冲突时很有用。
14.2.7 命令行定义
在编译时，可以通过命令行参数定义宏。例如，在Linux系统下使用gcc编译器：
gcc -DDEBUG main.c
在main.c中就可以使用DEBUG这个宏，例如：
#include <stdio.h>
int main() {
#ifdef DEBUG
printf("Debug mode is on.\n");
#endif
return 0;
}
这样通过命令行开关可以方便地控制代码的调试输出。
14.3 条件编译
条件编译允许根据一定条件决定是否编译源代码的一部分。
14.3.1 是否被定义
#ifdef、#ifndef、#endif指令用于检查某个宏是否被定义。
#ifdef：如果指定的宏已被定义，则编译后续代码块，直到遇到#endif。例如：
#define DEBUG
#ifdef DEBUG
printf("This is a debug message.\n");
#endif
#ifndef：与#ifdef相反，如果指定的宏未被定义，则编译后续代码块。例如：
#ifndef VERSION
#define VERSION "1.0"
#endif
#if defined()和#if!defined()也能实现类似功能，且更灵活，可以与其他条件结合使用。例如：
#define DEBUG
#define RELEASE
#if defined(DEBUG) &&!defined(RELEASE)
printf("Debug build.\n");
#elif defined(RELEASE) &&!defined(DEBUG)
printf("Release build.\n");
#endif
14.3.2 嵌套指令
条件编译指令可以嵌套使用，以实现更复杂的条件判断。例如：
#define OS_WINDOWS
#define DEBUG
#ifdef OS_WINDOWS
#ifdef DEBUG
printf("Windows debug build.\n");
#else
printf("Windows release build.\n");
#endif
#else
#ifdef DEBUG
printf("Non - Windows debug build.\n");
#else
printf("Non - Windows release build.\n");
#endif
#endif
通过嵌套的条件编译，可以根据不同的操作系统和编译模式来生成不同的代码。
14.4 文件包含
文件包含指令#include用于将一个源文件的内容插入到另一个源文件中。
14.4.1 函数库文件包含
当包含系统提供的函数库头文件时，使用尖括号<>。例如：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
预处理器会在系统默认的库文件目录中查找这些头文件。
14.4.2 本地文件包含
对于自定义的头文件，使用双引号""。例如：
#include "myheader.h"
预处理器首先会在当前源文件所在目录中查找头文件，如果找不到，再到系统默认目录中查找。
14.4.3 嵌套文件包含
一个头文件可以包含其他头文件，形成嵌套包含。例如，main.c包含header1.h，而header1.h又包含header2.h。在处理嵌套包含时，要注意避免头文件的重复包含，可以使用#ifndef、#define、#endif来防止重复定义。例如在header1.h中：
#ifndef HEADER1_H
#define HEADER1_H
// 头文件内容
#include "header2.h"
#endif
14.5 其他指令
除了上述常见的预处理器指令，还有一些其他指令：
#error：用于在编译时生成错误信息。例如：
#ifndef __STDC__
#error This code requires a standard C compiler.
#endif
如果__STDC__未定义（即不是标准C编译器），预处理器会输出错误信息，终止编译。
#pragma：提供了一种与编译器相关的指令，用于设置编译器的特定选项。例如，#pragma once在一些编译器中用于确保头文件只被包含一次，与#ifndef、#define、#endif功能类似，但更简洁。不同编译器对#pragma的支持和具体用法可能不同。
14.6 总结
预处理器是C语言编译过程中的重要组成部分，通过预定义符号、#define、条件编译、文件包含等指令，为程序员提供了灵活控制代码编译的能力。预定义符号提供了编译环境和源文件的信息；#define用于定义常量和宏，实现代码的替换和复用；条件编译允许根据不同条件生成不同的代码；文件包含则方便了代码的模块化和复用。合理使用预处理器指令可以提高代码的可维护性、可移植性和可读性，但也要注意避免宏定义中的错误和潜在问题，如代码膨胀、副作用等。掌握预处理器的使用是成为熟练C语言开发者的重要一步。