C/C++預處理命令

1.預處理概述和文件包含命令

前面各章中，已經多次使用過#include命令。使用庫函數之前，應該用#include引入對應的頭文件。這種以#號開頭的命令稱為預處理命令。

C語言源文件要經過編譯、鏈接才能生成可執行程序：
1) 編譯（Compile）會將源文件（.c文件）轉換為目標文件。對於VC/VS，目標文件後綴為 .obj；對於GCC，目標文件後綴為 .o。

編譯是針對單個源文件的，一次編譯操作只能編譯一個源文件，如果程序中有多個源文件，就需要多次編譯操作。

2) 鏈接（Link）是針對多個文件的，它會將編譯生成的多個目標文件以及系統中的庫、組件等合並成一個可執行程序。

不過，在編譯之前有時候還需要對源文件進行簡單的處理。例如，我們希望自己的程序在Windows和Linux下都能夠運行，那麼就要在Windows下使用VS編譯一遍，然後在Linux下使用GCC編譯一遍。但是現在有個問題，程序中要實現的某個功能在VS和GCC下使用的函數不同（假設VS下使用 a()，GCC下使用 b()），VS下的函數在GCC下不能編譯通過，GCC下的函數在VS下也不能編譯通過，怎麼辦呢？

這就需要在編譯之前先對源文件進行處理：如果檢測到是VS，那麼就保留 a() 刪除 b()；如果檢測到是GCC，那麼就保留 b() 刪除 a()。

這些在編譯之前對源文件進行的簡單處理，就稱為預處理（即預先處理、提前處理）。

預處理主要是處理以#開頭的命令，例如#include 等。預處理命令要放在所有函數之外，而且一般都放在源文件的前面。

預處理是C語言的一個重要功能，由預處理程序完成。當對一個源文件進行編譯時，系統將自動調用預處理程序對源程序中的預處理部分作處理，處理完畢自動進入對源程序的編譯。

編譯器會將預處理的結果保存到和源文件同名的.i文件中，例如 main.c 的預處理結果在 main.i 中。和.c一樣，.i也是文本文件，可以用編輯器打開直接查看內容。

C語言提供了多種預處理功能，如宏定義、文件包含、條件編譯等，合理地使用它們會使編寫的程序便於閱讀、修改、移植和調試，也有利於模塊化程序設計。

#include命令

#include是文件包含命令，主要用來引入對應的頭文件。#include的處理過程很簡單，就是將頭文件的內容插入到該命令所在的位置，從而把頭文件和當前源文件連接成一個源文件，這與復制粘貼的效果相同。

#include有兩種使用方式：

#include 
#include "myHeader.h"

使用尖括號< >和雙引號" "的區別在於頭文件的搜索路徑不同，我們將在《C語言頭文件的路徑》一節中深入探討，請大家先記住：包含標准庫的頭文件一般用尖括號，包含自定義的頭文件一般用雙引號。

說明：

一個#include命令只能包含一個頭文件，多個頭文件需要多個#include命令。文件包含允許嵌套，也就是說在一個被包含的文件中又可以包含另一個文件。
2.C語言宏定義 宏定義是預處理命令的一種，它允許用一個標識符來表示一個字符串。先看一個例子：

#include 
#define N 100
int main(){
    int sum = 20 + N;
    printf("%d\n", sum);
    return 0;
}

運行結果：
120

該示例中的語句int sum = 20 + N;，N被100代替了。

#define N 100就是宏定義，N為宏名，100是宏的內容。在編譯預處理時，對程序中所有出現的“宏名”，都用宏定義中的字符串去代換，這稱為“宏代換”或“宏展開”。

宏定義是由源程序中的宏定義命令#define完成的，宏代換是由預處理程序完成的。

宏定義的一般形式為：

#define 宏名 字符串

#表示這是一條預處理命令，所有的預處理命令都以#開頭。define是預處理命令。宏名是標識符的一種，命名規則和標識符相同。字符串可以是常數、表達式等。

這裡所說的字符串是一般意義上的字符序列，不要和C語言中的字符串等同，它不需要雙引號。

程序中反復使用的表達式就可以使用宏定義，例如：

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

它的作用是指定標識符M來代替表達式(y*y+3*y)。在編寫源程序時，所有的(y*y+3*y)都可由M代替，而對源程序編譯時，將先由預處理程序進行宏代換，即用(y*y+3*y)表達式去替換所有的宏名M，然後再進行編譯。

將上面的例子補充完整：

#include 
#define M (n*n+3*n)
int main(){
    int sum, n;
    printf("Input a number: ");
    scanf("%d", &n);
    sum = 3*M+4*M+5*M;
    printf("sum=%d\n", n);
    return 0;
}

運行結果：
Input a number: 10↙
sum=1560

上面的程序中首先進行宏定義，定義M來替代表達式(n*n+3*n)，在sum=3*M+4*M+5*M中作了宏調用。在預處理時經宏展開後該語句變為：

sum=3*(n*n+3*n)+4*(n*n+3*n)+5*(n*n+3*n);

需要注意的是，在宏定義中表達式(n*n+3*n)兩邊的括號不能少，否則會發生錯誤。如當作以下定義後：

#difine M n*n+3*n

在宏展開時將得到下述語句：

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

這相當於： 3n²+3n+4n²+3n+5n²+3n 這顯然是不正確的。所以進行宏定義時要注意，應該保證在宏代換之後不發生錯誤。

對宏定義的幾點說明

1) 宏定義是用宏名來表示一個字符串，在宏展開時又以該字符串取代宏名，這只是一種簡單的替換。字符串中可以含任何字符，可以是常數，也可以是表達式，預處理程序對它不作任何檢查，如有錯誤，只能在編譯已被宏展開後的源程序時發現。

2) 宏定義不是說明或語句，在行末不必加分號，如加上分號則連分號也一起替換。

3) 宏定義必須寫在函數之外，其作用域為宏定義命令起到源程序結束。如要終止其作用域可使用#undef命令。例如：

#define PI 3.14159
int main(){
    // Code
    return 0;
}
#undef PI
void func(){
    // Code
}

表示PI只在main函數中有效，在func中無效。

4) 宏名在源程序中若用引號括起來，則預處理程序不對其作宏代換，例如：

#include 
#define OK 100
int main(){
    printf("OK\n");
    return 0;
}

運行結果：
OK

該例中定義宏名OK表示100，但在 printf 語句中 OK 被引號括起來，因此不作宏代換，而作為字符串處理。

5) 宏定義允許嵌套，在宏定義的字符串中可以使用已經定義的宏名，在宏展開時由預處理程序層層代換。例如：

#define PI 3.1415926
#define S PI*y*y    /* PI是已定義的宏名*/

對語句：

printf("%f", S);

在宏代換後變為：

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


6) 習慣上宏名用大寫字母表示，以便於與變量區別。但也允許用小寫字母。

7) 可用宏定義表示數據類型，使書寫方便。例如：

#define UINT unsigned int

在程序中可用UINT作變量說明：

UINT a, b;

應注意用宏定義表示數據類型和用typedef定義數據說明符的區別。宏定義只是簡單的字符串代換，是在預處理完成的，而typedef是在編譯時處理的，它不是作簡單的代換，而是對類型說明符重新命名。被命名的標識符具有類型定義說明的功能。

請看下面的例子：

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

從形式上看這兩者相似， 但在實際使用中卻不相同。

下面用PIN1，PIN2說明變量時就可以看出它們的區別：

PIN1 a,b;

在宏代換後變成：

int *a,b;

表示a是指向整型的指針變量，而b是整型變量。然而：

PIN2 a,b;

表示a、b都是指向整型的指針變量。因為PIN2是一個類型說明符。由這個例子可見，宏定義雖然也可表示數據類型， 但畢竟是作字符代換。在使用時要分外小心，以避出錯。

3.C語言帶參數宏定義 C語言允許宏帶有參數。在宏定義中的參數稱為形式參數，在宏調用中的參數稱為實際參數。

對帶參數的宏，在調用中，不僅要宏展開，而且要用實參去代換形參。

帶參宏定義的一般形式為： #define 宏名(形參列表) 字符串 在字符串中含有各個形參。

帶參宏調用的一般形式為： 宏名(實參列表); 例如：

#define M(y) y*y+3*y  //宏定義
// Code
k=M(5);  //宏調用

在宏調用時，用實參5去代替形參y，經預處理宏展開後的語句為k=5*5+3*5。

【示例】輸出兩個數中較大的數。

#include 
#define MAX(a,b) (a>b) ? a : b
int main(){
    int x , y, max;
    printf("input two numbers: ");
    scanf("%d %d", &x, &y);
    max = MAX(x, y);
    printf("max=%d\n", max);
    return 0;
}

運行結果：
input two numbers: 10 20
max=20

程序第2行進行了帶參宏定義，用宏名MAX表示條件表達式(a>b) ? a : b，形參a、b均出現在條件表達式中。程序第7行max=MAX(x, y)為宏調用，實參x、y，將代換形參a、b。宏展開後該語句為：

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

用於計算x、y中的大數。

對帶參宏定義的說明

1) 帶參宏定義中，形參之間可以出現空格，但是宏名和形參列表之間不能有空格出現。例如把：

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

寫為：

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

將被認為是無參宏定義，宏名MAX代表字符串(a,b) (a>b)?a:b。宏展開時，宏調用語句：

max=MAX(x,y);

將變為：

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

這顯然是錯誤的。

2) 在帶參宏定義中，形式參數不分配內存單元，因此不必作類型說明。而宏調用中的實參有具體的值，要用它們去代換形參，因此必須作類型說明。這是與函數中的情況不同的。在函數中，形參和實參是兩個不同的量，各有自己的作用域，調用時要把實參值賦予形參，進行“值傳遞”。而在帶參宏中，只是符號代換，不存在值傳遞的問題。

3) 在宏定義中的形參是標識符，而宏調用中的實參可以是表達式。

【示例】輸入 n，輸出 (n+1)^2 的值。

#include 
#define SQ(y) (y)*(y)
int main(){
    int a, sq;
    printf("input a number: ");
    scanf("%d", &a);
    sq = SQ(a+1);
    printf("sq=%d\n", sq);
    return 0;
}

運行結果：
input a number: 9
sq=100

第2行為宏定義，形參為y。程序第7行宏調用中實參為a+1，是一個表達式，在宏展開時，用a+1代換y，再用(y)*(y) 代換SQ，得到如下語句：

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

這與函數的調用是不同的，函數調用時要把實參表達式的值求出來再賦予形參，而宏代換中對實參表達式不作計算直接地照原樣代換。

4) 在宏定義中，字符串內的形參通常要用括號括起來以避免出錯。在上例中的宏定義中(y)*(y)表達式的y都用括號括起來，因此結果是正確的。如果去掉括號，把程序改為以下形式：

#include 
#define SQ(y) y*y
int main(){
    int a, sq;
    printf("input a number: ");
    scanf("%d", &a);
    sq = SQ(a+1);
    printf("sq=%d\n", sq);
    return 0;
}

運行結果為：
input a number: 9
sq=19
同樣輸入9，但結果卻是不一樣的。問題在哪裡呢？這是由於替換只作符號替換而不作其它處理而造成的。宏替換後將得到以下語句：

sq=a+1*a+1;

由於a為9故sq的值為19。這顯然與題意相違，因此參數兩邊的括號是不能少的。即使在參數兩邊加括號還是不夠的，請看下面程序：

#include 
#define SQ(y) (y)*(y)
int main(){
    int a,sq;
    printf("input a number: ");
    scanf("%d", &a);
    sq = 200 / SQ(a+1);
    printf("sq=%d\n", sq);
    return 0;
}

本程序與前例相比，只把宏調用語句改為：

sq=160/SQ(a+1);

運行本程序如輸入值仍為9時，希望結果為2。但實際運行的結果如下：
input a number: 9
sq=200

為什麼會得這樣的結果呢？分析宏調用語句，在宏代換之後變為：

sq=200/(a+1)*(a+1);

a為9時，由於“/”和“*”運算符優先級和結合性相同，則先作200/(9+1)得20，再作20*(9+1)最後得200。為了得到正確答案應在宏定義中的整個字符串外加括號，程序修改如下：

#include 
#define SQ(y) ((y)*(y))
int main(){
    int a,sq;
    printf("input a number: ");
    scanf("%d", &a);
    sq = 200 / SQ(a+1);
    printf("sq=%d\n", sq);
    return 0;
}

由此可見：對於宏定義不僅應在參數兩側加括號，也應在整個字符串外加括號。

4.C語言帶參宏定義和函數的區別 帶參的宏和帶參函數很相似，但有本質上的不同，把同一表達式用函數處理與用宏處理的結果有可能是不同的。

【示例①】用函數計算平方值。

#include 
int SQ(int y){
  return ((y)*(y));
}
int main(){
    int i=1;
    while(i<=5){
        printf("%d^2 = %d\n", (i-1), SQ(i++));
    }
    return 0;
}

運行結果：
1^2 = 1
2^2 = 4
3^2 = 9
4^2 = 16
5^2 = 25

【示例②】用宏計算平方值。

#include 
#define SQ(y) ((y)*(y))
int main(){
    int i=1;
    while(i<=5){
        printf("%d^2 = %d\n", i, SQ(i++));
    }
    return 0;
}

VC 6.0下運行結果：
1^2 = 1
3^2 = 9
5^2 = 25

C-Free（MinGW）下運行結果：
3^2 = 1
5^2 = 9
7^2 = 25

之所以出現不同的結果，與 printf() 參數列表中表達式的計算順序和優先級有關，這裡不再深究。

分析如下：在示例①中，函數調用是把實參 i 值傳給形參 y 後自增 1，然後輸出函數值，所以要循環5次，輸出1~5的平方值。而在示例②中宏調用時只作代換，SQ(i++) 被代換為 ((i++)*(i++))。第一次循環，i 的值為1，(i++)*(i++)=1；第二次循環 i 的值為 3，(i++)*(i++)=9；第三次循環 i 的值為 5，(i++)*(i++)=25；第四次循環，i 的值為7，終止循環。

從以上分析可以看出函數調用和宏調用二者在形式上相似，在本質上是完全不同的。

宏定義也可用來定義多個語句，在宏調用時，把這些語句又代換到源程序內。看下面的例子。

#include 
#define SSSV(s1, s2, s3, v) s1=l*w; s2=l*h; s3=w*h; v=w*l*h;
int main(){
    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);
    return 0;
}

運行結果：
sa=12
sb=15
sc=20
vv=60

5.C語言宏參數的字符串化和宏參數的連接 在宏定義中，有時還會用到#和##兩個符號，它們能夠對宏參數進行操作。

# 的用法

#用來將宏參數轉換為字符串，也就是在宏參數的開頭和末尾添加引號。例如有如下宏定義：

#define STR(s)

那麼：

printf("%s", STR(c.biancheng.net));
printf("%s", STR("c.biancheng.net"));

分別被展開為：

printf("%s", "c.biancheng.net");
printf("%s", "\"c.biancheng.net\"");

可以發現，即使給宏參數“傳遞”的數據中包含引號，使用#仍然會在兩頭添加新的引號，而原來的引號會被轉義。

將上面的例子補充完整：

#include 
#define STR(s) #s
int main() {
    printf("%s\n", STR(c.biancheng.net));
    printf("%s\n", STR("c.biancheng.net"));
    return 0;
}

運行結果：
c.biancheng.net
"c.biancheng.net"

##的用法

##稱為連接符，用來將宏參數或其他的串連接起來。例如有如下的宏定義：

#define CON1(a, b) a##e##b
#define CON2(a, b) a##b##00

那麼：

printf("%f\n", CON1(8.5, 2));
printf("%d\n", CON2(12, 34));

將被展開為：

printf("%f\n", 8.5e2);
printf("%d\n", 123400);

將上面的例子補充完整：

#include 
#define CON1(a, b) a##e##b
#define CON2(a, b) a##b##00
int main() {
    printf("%f\n", CON1(8.5, 2));
    printf("%d\n", CON2(12, 34));
    return 0;
}

運行結果：
850.000000
123400

6.C語言中幾個預定義宏 顧名思義，預定義宏就是已經預先定義好的宏，我們可以直接使用，無需再重新定義。

ANSI C 規定了以下幾個預定義宏，它們在各個編譯器下都可以使用：
__LINE__：表示當前源代碼的行號；__FILE__：表示當前源文件的名稱；__DATE__：表示當前的編譯日期；__TIME__：表示當前的編譯時間；__STDC__：當要求程序嚴格遵循ANSI C標准時該標識被賦值為1；__cplusplus：當編寫C++程序時該標識符被定義。
預定義宏演示：

#include 
#include 
int main() {
    printf("Date : %s\n", __DATE__);
    printf("Time : %s\n", __TIME__);
    printf("File : %s\n", __FILE__);
    printf("Line : %d\n", __LINE__);
    system("pause");
    return 0;
}

VS下的輸出結果：
Date : Mar 6 2016
Time : 11:47:15
File : main.c
Line : 8

C-Free 5.0 下的輸出結果：
Date : Mar 6 2016
Time : 12:12:59
File : C:\Users\mozhiyan\Desktop\demo.c
Line : 8

7.C語言條件編譯 預處理程序提供了條件編譯的功能，可以按不同的條件去編譯不同的程序部分，因而產生不同的目標代碼文件。這對於程序的移植和調試是很有用的。條件編譯有三種形式，下面分別介紹。


第一種形式

第一種形式的格式為：
#ifdef 標識符
程序段1
#else
程序段2
#endif

它的功能是，如果標識符已被 #define 命令定義過則對程序段1進行編譯；否則對程序段2進行編譯。如果沒有程序段2（它為空），本格式中的#else可以沒有，即可以寫為：
#ifdef 標識符
程序段
#endif

請看下面的例子：

#include 
#define WIN16 true
int main(void){
    #ifdef WIN16
        printf("The value of sizeof(int) is 2.\n");
    #else
        printf("The value of sizeof(int) is 4.\n");
    #endif
    return 0;
}

運行結果：
The value of sizeof(int) is 2.

第4行插入了條件編譯預處理命令，要根據 WIN16 是否被定義過來決定編譯哪一個 printf 語句。而在程序的第2行已對 WIN16 作過宏定義，所以應對第一個 printf 語句進行編譯。

程序第2行宏定義中，定義 WIN16 表示字符串 true，其實也可以為任何字符串，甚至不給出任何字符串，寫為：

#define WIN16

也具有同樣的意義。只有取消程序的第2行才會去編譯第二個 printf 語句。


第二種形式

第二種形式的格式為：
#ifndef 標識符
程序段1
#else
程序段2
#endif

與第一種形式的區別是將ifdef改為ifndef。它的功能是，如果標識符未被#define命令定義過則對程序段1進行編譯，否則對程序段2進行編譯。這與第一種形式的功能正相反。


第三種形式

第三種形式的格式為：
#if 常量表達式
程序段1
#else
程序段2
#endif

它的功能是，如常量表達式的值為真（非0），則對程序段1 進行編譯，否則對程序段2進行編譯。因此可以使程序在不同條件下，完成不同的功能。

請看下面的例子：

#include 
#define R 1
int main(){
    float len, area_round, area_square;
    printf ("input a number: ");
    scanf("%f", &len);
    #if R
        area_round = 3.14159*len*len;
        printf("Area of round is: %f\n", area_round);
    #else
        area_square = len*len;
        printf("Area of square is: %f\n", area_square);
    #endif
    return 0;
}

運行結果：
input a number: 4
Area of round is: 50.265442

第2行宏定義中，定義R為1，因此在條件編譯時，常量表達式的值為真，所以計算並輸出圓面積。

上面介紹的條件編譯當然也可以用條件語句 if-else 來實現。 但是用條件語句將會對整個源程序進行編譯，生成的目標代碼程序較長，而采用條件編譯，則根據條件只編譯其中的程序段1或程序段2，生成的目標程序較短。如果條件選擇的程序段很長，采用條件編譯的方法是十分必要的。

8.C語言#error命令，阻止程序編譯 #error 指令用於在編譯期間產生錯誤信息，並阻止程序的編譯，其形式如下：

#error error_message

例如，我們的程序針對Linux編寫，不保證兼容Windows，那麼可以這樣做：


#ifdef WIN32
#error This programme cannot compile at Windows Platform
#endif

WIN32 是Windows下的預定義宏。當用戶在Windows下編譯該程序時，由於定義了WIN32這個宏，所以會執行#error命令，提示用戶發生了編譯錯誤，錯誤信息是：

This programme cannot compile at Windows Platform

這和發生語法錯誤的效果是一樣的，程序編譯失敗。請看下面的截圖：
VS2010 下的錯誤信息


C-Free 5.0 下的錯誤信息
需要注意的是：報錯信息不需要加引號" "，如果加上，引號會被一起輸出。例如將上面的#error命令改為：

#error "This programme cannot compile at Windows Platform"

那麼錯誤信息如下：


再如，當我們希望以C++的方式來編譯程序時，可以這樣做：

復制純文本新窗口

#ifndef __cplusplus
#error 當前程序必須以C++方式編譯
#endif


9.C語言預處理指令總結 預處理指令是以#號開頭的代碼行，#號必須是該行除了任何空白字符外的第一個字符。#後是指令關鍵字，在關鍵字和#號之間允許存在任意個數的空白字符，整行語句構成了一條預處理指令，該指令將在編譯器進行編譯之前對源代碼做某些轉換。

下面是本章涉及到的部分預處理指令：
指令 說明 # 空指令，無任何效果 #include 包含一個源代碼文件 #define 定義宏 #undef 取消已定義的宏 #if 如果給定條件為真，則編譯下面代碼 #ifdef 如果宏已經定義，則編譯下面代碼 #ifndef 如果宏沒有定義，則編譯下面代碼 #elif 如果前面的#if給定條件不為真，當前條件為真，則編譯下面代碼 #endif 結束一個#if……#else條件編譯塊
預處理功能是C語言特有的功能，它是在對源程序正式編譯前由預處理程序完成的，程序員在程序中用預處理命令來調用這些功能。

宏定義可以帶有參數，宏調用時是以實參代換形參，而不是“值傳送”。

為了避免宏代換時發生錯誤，宏定義中的字符串應加括號，字符串中出現的形式參數兩邊也應加括號。

文件包含是預處理的一個重要功能，它可用來把多個源文件連接成一個源文件進行編譯，結果將生成一個目標文件。

條件編譯允許只編譯源程序中滿足條件的程序段，使生成的目標程序較短，從而減少了內存的開銷並提高了程序的效率。

使用預處理功能便於程序的修改、閱讀、移植和調試，也便於實現模塊化程序設計。