C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之預(yù)處理

2019-11-17 05:14:15

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概述

　　在前面各章中，已多次使用過以“#”號(hào)開頭的預(yù)處理命令。如包含命令# include，宏定義命令# define等。在源程序中這些命令都放在函數(shù)之外，而且一般都放在源文件的前面，它們稱為預(yù)處理部分。

　　所謂預(yù)處理是指在進(jìn)行編譯的第一遍掃描(詞法掃描和語法分析)之前所作的工作。預(yù)處理是C語言的一個(gè)重要功能，它由預(yù)處理程序負(fù)責(zé)完成。當(dāng)對(duì)一個(gè)源文件進(jìn)行編譯時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)引用預(yù)處理程序?qū)υ闯绦蛑械念A(yù)處理部分作處理，處理完畢自動(dòng)進(jìn)入對(duì)源程序的編譯。

　　C語言提供了多種預(yù)處理功能，如宏定義、文件包含、條件編譯等。合理地使用預(yù)處理功能編寫的程序便于閱讀、修改、移植和調(diào)試，也有利于模塊化程序設(shè)計(jì)。本章介紹常用的幾種預(yù)處理功能。

　　宏定義

　　在C語言源程序中答應(yīng)用一個(gè)標(biāo)識(shí)符來表示一個(gè)字符串，稱為“宏”。被定義為“宏”的標(biāo)識(shí)符稱為“宏名”。在編譯預(yù)處理時(shí)，對(duì)程序中所有出現(xiàn)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完成的。宏代換是由預(yù)處理程序自動(dòng)完成的。在C語言中，“宏”分為有參數(shù)和無參數(shù)兩種。下面分別討論這兩種“宏”的定義和調(diào)用。

　　無參宏定義

　　無參宏的宏名后不帶參數(shù)。其定義的一般形式為： #define 標(biāo)識(shí)符字符串其中的“#”表示這是一條預(yù)處理命令。凡是以“#”開頭的均為預(yù)處理命令。“define”為宏定義命令。 “標(biāo)識(shí)符”為所定義的宏名。“字符串”可以是常數(shù)、表達(dá)式、格式串等。在前面介紹過的符號(hào)常量的定義就是一種無參宏定義。此外，常對(duì)程序中反復(fù)使用的表達(dá)式進(jìn)行宏定義。例如： # define M (y*y+3*y) 定義M表達(dá)式(y*y+3*y)。在編寫源程序時(shí)，所有的(y*y+3*y)都可由M代替，而對(duì)源程序作編譯時(shí)，將先由預(yù)處理程序進(jìn)行宏代換，即用(y*y+3*y)表達(dá)式去置換所有的宏名M，然后再進(jìn)行編譯。

#define M (y*y+3*y)
main(){
　int s,y;
　　scanf("%d",&y);
　s=3*M+4*M+5*M;
　printf("s=%d/n",s);
}
　　上例程序中首先進(jìn)行宏定義，定義M表達(dá)式(y*y+3*y),在s= 3*M+4*M+5* M中作了宏調(diào)用。在預(yù)處理時(shí)經(jīng)宏展開后該語句變?yōu)椋簊=3*(y*y+3*y)+4(y*y+3*y)+5(y*y+3*y);但要注重的是，在宏定義中表達(dá)式(y*y+3*y)兩邊的括號(hào)不能少。否則會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。

　　當(dāng)作以下定義后： #difine M y*y+3*y在宏展開時(shí)將得到下述語句： s=3*y*y+3*y+4*y*y+3*y+5*y*y+3*y；這相當(dāng)于； 3y2+3y+4y2+3y+5y2+3y；顯然與原題意要求不符。計(jì)算結(jié)果當(dāng)然是錯(cuò)誤的。因此在作宏定義時(shí)必須十分注重。應(yīng)保證在宏代換之后不發(fā)生錯(cuò)誤。對(duì)于宏定義還要說明以下幾點(diǎn)：

　　1. 宏定義是用宏名來表示一個(gè)字符串，在宏展開時(shí)又以該字符串取代宏名，這只是一種簡(jiǎn)單的代換，字符串中可以含任何字符，可以是常數(shù)，也可以是表達(dá)式，預(yù)處理程序?qū)λ蛔魅魏螜z查。如有錯(cuò)誤，只能在編譯已被宏展開后的源程序時(shí)發(fā)現(xiàn)。

　　2. 宏定義不是說明或語句，在行末不必加分號(hào)，如加上分號(hào)則連分號(hào)也一起置換。

　　3. 宏定義必須寫在函數(shù)之外，其作用域?yàn)楹甓x命令起到源程序結(jié) 束。如要終止其作用域可使用# undef命令，例如：

# define PI 3.14159
main()
{
……
}
　　# undef P ipI的作用域

　　f1()

　　....表示PI只在main函數(shù)中有效，在f1中無效。

　　4. 宏名在源程序中若用引號(hào)括起來，則預(yù)處理程序不對(duì)其作宏代換。

#define OK 100
main()
{
　printf("OK");
　printf("/n");
}
　　上例中定義宏名OK表示100，但在printf語句中OK被引號(hào)括起來，因此不作宏代換。程序的運(yùn)行結(jié)果為：OK這表示把“OK”當(dāng)字符串處理。

　　5. 宏定義答應(yīng)嵌套，在宏定義的字符串中可以使用已經(jīng)定義的宏名。在宏展開時(shí)由預(yù)處理程序?qū)訉哟鷵Q。例如：

#define PI 3.1415926
#define S PI*y*y /* PI是已定義的宏名*/對(duì)語句： printf("%f",s);
　　在宏代換后變?yōu)椋?printf("%f",3.1415926*y*y);

　　6. 習(xí)慣上宏名用大寫字母表示，以便于與變量區(qū)別。但也答應(yīng)用小寫字母。

　　7. 可用宏定義表示數(shù)據(jù)類型，使書寫方便。例如： #define STU strUCt stu在程序中可用STU作變量說明：

STU body[5],*p;#define INTEGER int　　
　　在程序中即可用INTEGER作整型變量說明： INTEGER a,b; 應(yīng)注重用宏定義表示數(shù)據(jù)類型和用typedef定義數(shù)據(jù)說明符的區(qū)別。宏定義只是簡(jiǎn)單的字符串代換，是在預(yù)處理完成的，而typedef是在編譯時(shí)處理的，它不是作簡(jiǎn)單的代換，而是對(duì)類型說明符重新命名。被命名的標(biāo)識(shí)符具有類型定義說明的功能。請(qǐng)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(shí)際使用中卻不相同。下面用PIN1，PIN2說明變量時(shí)就可以看出它們的區(qū)別： PIN1 a,b;在宏代換后變成 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?yàn)镻IN2是一個(gè)類型說明符。由這個(gè)例子可見，宏定義雖然也可表示數(shù)據(jù)類型，但究竟是作字符代換。在使用時(shí)要分外小心，以避出錯(cuò)。

　　8. 對(duì)“輸出格式”作宏定義，可以減少書寫麻煩。例9.3 中就采用了這種方法。

#define P printf
#define D "%d/n"
#define F "%f/n"
main(){
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);
} 帶參宏定義

　　C語言答應(yīng)宏帶有參數(shù)。在宏定義中的參數(shù)稱為形式參數(shù)，在宏調(diào)用中的參數(shù)稱為實(shí)際參數(shù)。對(duì)帶參數(shù)的宏，在調(diào)用中，不僅要宏展開，而且要用實(shí)參去代換形參。

　　帶參宏定義的一般形式為： #define 宏名(形參表) 字符串在字符串中含有各個(gè)形參。帶參宏調(diào)用的一般形式為：宏名(實(shí)參表)；
例如：

#define M(y) y*y+3*y /*宏定義*/
:
k=M(5); /*宏調(diào)用*/
: 在宏調(diào)用時(shí)，用實(shí)參5去代替形參y，經(jīng)預(yù)處理宏展開后的語句
為： k=5*5+3*5
#define MAX(a,b) (a>b)?a:b
main(){
int x,y,max;
printf("input two numbers: ");
scanf("%d%d",&x,&y);
max=MAX(x,y);
printf("max=%d/n",max);
}
　　上例程序的第一行進(jìn)行帶參宏定義，用宏名MAX表示條件表達(dá)式(a>b)?a:b，形參a,b均出現(xiàn)在條件表達(dá)式中。程序第七行max=MAX(x,
y)為宏調(diào)用，實(shí)參x,y，將代換形參a,b。宏展開后該語句為： max=(x>y)?x:y;用于計(jì)算x,y中的大數(shù)。對(duì)于帶參的宏定義有以下問題需要說明：

　　1. 帶參宏定義中，宏名和形參表之間不能有空格出現(xiàn)。

　　例如把： #define MAX(a,b) (a>b)?a:b寫為： #define MAX (a,b) (a>b)?a:b 將被認(rèn)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(shí)，宏調(diào)用語句： max=MAX(x,y);將變?yōu)椋?max=(a,b)(a>b)?a:b(x,y);這顯然是錯(cuò)誤的。

　　2. 在帶參宏定義中，形式參數(shù)不分配內(nèi)存單元，因此不必作類型定義。而宏調(diào)用中的實(shí)參有具體的值。要用它們?nèi)ゴ鷵Q形參，因此必須作類型說明。這是與函數(shù)中的情況不同的。在函數(shù)中，形參和實(shí)參是兩個(gè)不同的量，各有自己的作用域，調(diào)用時(shí)要把實(shí)參值賦予形參，進(jìn)行“值傳遞”。而在帶參宏中，只是符號(hào)代換，不存在值傳遞的問題。

　　3. 在宏定義中的形參是標(biāo)識(shí)符，而宏調(diào)用中的實(shí)參可以是表達(dá)式。

#define SQ(y) (y)*(y)
main(){
int a,sq;
printf("input a number: ");
scanf("%d",&a);
sq=SQ(a+1);
printf("sq=%d/n",sq);
}
　　上例中第一行為宏定義，形參為y。程序第七行宏調(diào)用中實(shí)參為a+1，是一個(gè)表達(dá)式，在宏展開時(shí)，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(shù)的調(diào)用是不同的，函數(shù)調(diào)用時(shí)要把實(shí)參表達(dá)式的值求出來再賦予形參。而宏代換中對(duì)實(shí)參表達(dá)式不作計(jì)算直接地照原樣代換。

　　4. 在宏定義中，字符串內(nèi)的形參通常要用括號(hào)括起來以避免出錯(cuò)。在上例中的宏定義中(y)*(y)表達(dá)式的y都用括號(hào)括起來，因此結(jié)果是正確的。假如去掉括號(hào)，把程序改為以下形式：

#define SQ(y) y*y
main(){
int a,sq;
printf("input a number: ");
scanf("%d",&a);
sq=SQ(a+1);
printf("sq=%d/n",sq);
}
　　運(yùn)行結(jié)果為：input a number:3

　　sq=7 同樣輸入3，但結(jié)果卻是不一樣的。問題在哪里呢? 這是由于代換只作符號(hào)代換而不作其它處理而造成的。宏代換后將得到以下語句： sq=a+1*a+1; 由于a為3故sq的值為7。這顯然與題意相違，因此參數(shù)兩邊的括號(hào)是不能少的。即使在參數(shù)兩邊加括號(hào)還是不夠的，請(qǐng)看下面程序：

#define SQ(y) (y)*(y)
main(){
int a,sq;
printf("input a number: ");
scanf("%d",&a);
sq=160/SQ(a+1);
printf("sq=%d/n",sq);
}
　　本程序與前例相比，只把宏調(diào)用語句改為： sq=160/SQ(a+1); 運(yùn)行本程序如輸入值仍為3時(shí)，希望結(jié)果為10。但實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果如下：input a number:3　sq=160為什么會(huì)得這樣的結(jié)果呢?分析宏調(diào)用語句，在宏代換之后變?yōu)椋?sq=160/(a+1)*(a+1);a為3時(shí)，由于“/”和“*”運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)和結(jié)合性相同，則先作160/(3+1)得40，再作40*(3+1)最后得160。為了得到正確答案應(yīng)在宏定義中的整個(gè)字符串外加括號(hào)，程序修改如下

#define SQ(y) ((y)*(y))
main(){
　int a,sq;
　printf("input a number: ");
　scanf("%d",&a);
　sq=160/SQ(a+1);
　printf("sq=%d/n",sq);
}
　　以上討論說明，對(duì)于宏定義不僅應(yīng)在參數(shù)兩側(cè)加括號(hào)，也應(yīng)在整個(gè)字符串外加括號(hào)。

　　5. 帶參的宏和帶參函數(shù)很相似，但有本質(zhì)上的不同，除上面已談到的各點(diǎn)外，把同一表達(dá)式用函數(shù)處理與用宏處理兩者的結(jié)果有可能是不同的。

main(){
int i=1;
while(i<=5)
printf("%d/n",SQ(i++));
}
SQ(int y)
{
　return((y)*(y));
}#define SQ(y) ((y)*(y))
main(){
　int i=1;
　while(i<=5)
　　printf("%d/n",SQ(i++));
}
　　在上例中函數(shù)名為SQ，形參為Y，函數(shù)體表達(dá)式為((y)*(y))。在例9.6中宏名為SQ，形參也為y，字符串表達(dá)式為(y)*(y))。兩例是相同的。例9.6的函數(shù)調(diào)用為SQ(i++)，例9.7的宏調(diào)用為SQ(i++)，實(shí)參也是相同的。從輸出結(jié)果來看，卻大不相同。分析如下：在例9.6中，函數(shù)調(diào)用是把實(shí)參i值傳給形參y后自增1。然后輸出函數(shù)值。因而要循環(huán)5次。輸出1～5的平方值。而在例9.7中宏調(diào)用時(shí)，只作代換。SQ(i++)被代換為((i++)*(i++))。在第一次循環(huán)時(shí)，由于i等于1，其計(jì)算過程為：表達(dá)式中前一個(gè)i初值為1，然后i自增1變?yōu)?，因此表達(dá)式中第2個(gè)i初值為2，兩相乘的結(jié)果也為2，然后i值再自增1，得3。在第二次循環(huán)時(shí)，i值已有初值為3，因此表達(dá)式中前一個(gè)i為3，后一個(gè)i為4，乘積為12，然后i再自增1變?yōu)?。進(jìn)入第三次循環(huán)，由于i 值已為5，所以這將是最后一次循環(huán)。計(jì)算表達(dá)式的值為5*6等于30。i值再自增1變?yōu)?，不再滿足循環(huán)條件，停止循環(huán)。從以上分析可以看出函數(shù)調(diào)用和宏調(diào)用二者在形式上相似，在本質(zhì)上是完全不同的。

　　6. 宏定義也可用來定義多個(gè)語句，在宏調(diào)用時(shí)，把這些語句又代換到源程序內(nèi)。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;
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);
}
　　程序第一行為宏定義，用宏名SSSV表示4個(gè)賦值語句，4 個(gè)形參分別為4個(gè)賦值符左部的變量。在宏調(diào)用時(shí)，把4 個(gè)語句展開并用實(shí)參代替形參。使計(jì)算結(jié)果送入實(shí)參之中。 文件包含

　　文件包含是C預(yù)處理程序的另一個(gè)重要功能。文件包含命令行的一般形式為： #include"文件名" 在前面我們已多次用此命令包含過庫函數(shù)的頭文件。例如：

#include"stdio.h"
#include"math.h"
　　文件包含命令的功能是把指定的文件插入該命令行位置取代該命令行，從而把指定的文件和當(dāng)前的源程序文件連成一個(gè)源文件。在程序設(shè)計(jì)中，文件包含是很有用的。一個(gè)大的程序可以分為多個(gè)模塊，由多個(gè)程序員分別編程。有些公用的符號(hào)常量或宏定義等可單獨(dú)組成一個(gè)文件，在其它文件的開頭用包含命令包含該文件即可使用。這樣，可避免在每個(gè)文件開頭都去書寫那些公用量，從而節(jié)省時(shí)間，并減少出錯(cuò)。

　　對(duì)文件包含命令還要說明以下幾點(diǎn)：

　　1. 包含命令中的文件名可以用雙引號(hào)括起來，也可以用尖括號(hào)括起來。例如以下寫法都是答應(yīng)的： #include"stdio.h"　#include<math.h> 但是這兩種形式是有區(qū)別的：使用尖括號(hào)表示在包含文件目錄中去查找(包含目錄是由用戶在設(shè)置環(huán)境時(shí)設(shè)置的)，而不在源文件目錄去查找；使用雙引號(hào)則表示首先在當(dāng)前的源文件目錄中查找，若未找到才到包含目錄中去查找。用戶編程時(shí)可根據(jù)自己文件所在的目錄來選擇某一種命令形式。

　　2. 一個(gè)include命令只能指定一個(gè)被包含文件，若有多個(gè)文件要包含，則需用多個(gè)include命令。3. 文件包含答應(yīng)嵌套，即在一個(gè)被包含的文件中又可以包含另一個(gè)文件。

　　條件編譯

　　預(yù)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(chǎn)生不同的目標(biāo)代碼文件。這對(duì)于程序的移植和調(diào)試是很有用的。條件編譯有三種形式，下面分別介紹：

　　1. 第一種形式：

#ifdef 標(biāo)識(shí)符
程序段1
#else
程序段2
#endif
　　它的功能是，假如標(biāo)識(shí)符已被 #define命令定義過則對(duì)程序段1進(jìn)行編譯；否則對(duì)程序段2進(jìn)行編譯。假如沒有程序段2(它為空)，本格式中的#else可以沒有，即可以寫為：

#ifdef 標(biāo)識(shí)符
程序段 #endif
#define NUM ok
main(){
　struct stu
　{
　　int num;
　　char *name;
　　char sex;
　　float score;
　} *ps;
　ps=(struct stu*)malloc(sizeof(struct stu));
　ps->num=102;
　ps->name="Zhang ping";
　ps->sex='M';
　ps->score=62.5;
　#ifdef NUM
　　printf("Number=%d/nScore=%f/n",ps->num,ps->score);
　#else
　　printf("Name=%s/nSex=%c/n",ps->name,ps->sex);
　#endif
　free(ps);
}
　　由于在程序的第16行插入了條件編譯預(yù)處理命令，因此要根據(jù)NUM是否被定義過來決定編譯那一個(gè)printf語句。而在程序的第一行已對(duì)NUM作過宏定義，因此應(yīng)對(duì)第一個(gè)printf語句作編譯故運(yùn)行結(jié)果是輸出了學(xué)號(hào)和成績(jī)。在程序的第一行宏定義中，定義NUM表示字符串OK，其實(shí)也可以為任何字符串，甚至不給出任何字符串，寫為： #define NUM 也具有同樣的意義。只有取消程序的第一行才會(huì)去編譯第二個(gè)printf語句。讀者可上機(jī)試作。

　　2. 第二種形式：

#ifndef 標(biāo)識(shí)符
程序段1
#else
程序段2
#endif
　　與第一種形式的區(qū)別是將“ifdef”改為“ifndef”。它的功能是，假如標(biāo)識(shí)符未被#define命令定義過則對(duì)程序段1進(jìn)行編譯，否則對(duì)程序段2進(jìn)行編譯。這與第一種形式的功能正相反。

　　3. 第三種形式：

#if 常量表達(dá)式
程序段1
#else
程序段2
#endif
　　它的功能是，如常量表達(dá)式的值為真(非0)，則對(duì)程序段1 進(jìn)行編譯，否則對(duì)程序段2進(jìn)行編譯。因此可以使程序在不同條件下，完成不同的功能

#define R 1
main(){
　float c,r,s;
　printf ("input a number: ");
　scanf("%f",&c);
　#if R
　　r=3.14159*c*c;
　　printf("area of round is: %f/n",r);
　#else
　　s=c*c;
　　printf("area of square is: %f/n",s);
　#endif
}
　　本例中采用了第三種形式的條件編譯。在程序第一行宏定義中，定義R為1，因此在條件編譯時(shí)，常量表達(dá)式的值為真，故計(jì)算并輸出圓面積。上面介紹的條件編譯當(dāng)然也可以用條件語句來實(shí)現(xiàn)。但是用條件語句將會(huì)對(duì)整個(gè)源程序進(jìn)行編譯，生成的目標(biāo)代碼程序很長(zhǎng)，而采用條件編譯，則根據(jù)條件只編譯其中的程序段1或程序段2，生成的目標(biāo)程序較短。假如條件選擇的程序段很長(zhǎng)，采用條件編譯的方法是十分必要的。

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