C语言简明教程（十八）：预处理指令和C函数库完整详解

接上一节：位操作之二进制、字节、按位操作和位字段

本节详解讨论C预处理指令和相关的函数库，例如符号常量和条件编译都是预处理指令，C库函数中有不少函数都是使用库函数的方式调用的，使用C库函数需要对C标准库的有个清楚的了解。在一些地方例如Linux内核中的预处理指令一般比较复杂，本文尽可能简单地说明白其中的原理，以Linux内核源码为目标是提升C语言技术的一个好方式。

一、编译器翻译处理

一般来说，我们常说的编译器是包含翻译处理、预处理器的，翻译处理在进行预处理之前进行，翻译处理的任务主要是对源码文本做一些简单的转换和划分，翻译的任务包括：

1、将源码中的字符映射到C源字符集，这个主要是应对C国际化，C语言使用美国键盘上的标准字符，但可能本地键盘有所差别，一种是相对缺少字符，这时候可能使用三字符序列表示C的标准字符，例如??=表示#，??)表示]，另一种是使用了多字节字符，例如中文字符，中文是多字节字符，一个中文gbk编码为2字节，utf-8编码为3字节。，

2、转换反斜杠内容换行符\，使用\内容换行连接符可以将一个或多个物理行转为一个逻辑行，物理行也就是形式上是多行的，逻辑行也就是翻译器转换的行形式，如下代码：

#define EXP 2.71828
#define PX(x, result) exp = (x) * (x); \
    result = exp * EXP; \
    printf("%d\n", result);
// 使用\内容连接符，将一个或多个物理行转为一个逻辑行

3、划分源码文本，作三种划分，第一种是将文本划分成预处理记号（token）序列，根据空格、换行符和制表符进行分隔划分，划分出来的每一项又称为一个词，每个词都是一个记号（token），宏的替换体是一个记号（token）序列，记号型字符串。

第二种是划分空白序列，每个空白序列替换成一个空格，第三种是划分注释序列，每个注释序列会被替换成一个空格。翻译处理完成即进入预处理阶段，预处理阶段处理#开头的预处理指令，本文讨论的预处理指令就是在这个阶段的，注意，预处理阶段还不是编译阶段。

另外说一下程序标识符的生命周期，按先后顺序包括：翻译处理、预处理、编译、程序启动、程序执行、程序释放。上面说到的/连接符在翻译处理阶段，#define定义的标识符在预处理阶段，static变量的初始化在编译阶段确定，一般const常量在程序执行时才初始化，所以static变量初始化可以使用#define符号变量，但是不能使用const常量。

二、预处理指令

预处理的实质和预处理的任务是：将一些文本转换成另一些文本，预处理得到的仍然是一般的源码文本（若需要了解编译链接详细过程，可以参考本系列教程的第二节）。预处理指令以#开头，#左右可以有空格或制表符，但一般直接和指令标识符相连#cmd，预处理指令可以出现在源文件的任何地方，#define和#include指令有效范围为：从定义开始到文件结束，其它一些指令有效范围视情况而定。

1、#define符号常量

（1）定义符号常量（宏定义）

宏又可分为类对象宏和类函数宏，宏类似一个数据模板，宏实例会占用空间。宏的定义格式为：#define指令+宏（宏标识符）+替换体（宏值），预处理器处理宏时会将替换体替换函数宏标识符，将宏变成替换体文本的过程又称为宏展开，宏替换不会计算表达式，宏定义可以嵌套其它宏。另外使用#define重定义常量时，只有两者替换体完全相同才允许重定义，定义不同的替换体可以先使用#undef取消宏定义。

对于替换体的解释，有两种方式：字符型字符串和记号型字符串。字符型字符串解释将分隔符作为字符串的一部分，所以#define宏定义又称为符号常量，一般编译器采用此方式。记号型字符串解释使用空格作为分隔符，例如#define result a * b的替换体中有三个记号。

注意：宏定义在预处理中只作字符序列替换，不计算表达式，a*b和(a)*(b)不同，a*b和(a*b)也不同，具体的分析需要将替换体严格替换到指定的代码中，必要时需要使用足够多的圆括号来保证计算的准确性，下面是一些示例代码：

// 定义符号常量
// 对象宏的一般定义：宏标识符 + 替换体
#define PI 3.1415926
#define SIZE 36
#define PROCESS int a = 9;\
    printf("%d\n", a)
// 函数宏
#define sqrt(x) (x)*(x)
#define PS(s) printf("%s\n", s)

（2）使用宏参数

类函数宏可以拥有一个或多个参数，执行大量函数宏时，速度比普通函数块，但是使用更多的内存空间，执行快主要是因为内联代码，内联代码是其实就是形式上的代码是分开写的，但是预处理器或编译器会将实际的代码替换函数调用（相当于将函数的实际代码写到调用处了）。普通函数多次调用仅使用一个函数副本，调用完即可释放，另外类函数宏相对于普通函数比较复杂，函数宏有以下三点重要内容：

参数字符串化，在字符串中包含宏参数，意思就是将参数作为字符串处理，使用#运算符，最基本形式是#arg=”arg”，注意右边是带双引号的，也就是说替换过程中无论如何都会带有双引号，在字符串中使用#，需要使用双引号进行拼接字符串，例如”a “#arg” b”，替换成”a “”arg”” b”，注意到两两””构成一个字符串，编译器会进行实际拼接，但在形式上需要两两的””，示例代码如下：

// 函数宏参数字符串化
// 一般形式的字符串化参数，默认就是带双引号的
#define Pint(x) printf("%s\n", #x) // "x"

//在字符串中字符串化参数记得要拼成两两双引号""的形式
#define PIN(position, message) printf("position: "#position"\tmessage: "#message"\n")

参数连接，将参数和其它记号连成一个记号，先将参数字符串化，再和其它记号拼成一个字符串，使用##运算符，例如arg1和arg2是两个参数，arg1##arg2等于arg1arg2，示例代码如下：

// 函数宏参数连接##
#define DV(x) int x##_01
#define AS(x) x##_01 = 96
#define PD(x) printf("%d\n", x##_01)
//调用如下：
DV(num);
AS(num);
PD(num);

变参宏，由头文件stdvar.h提供相关功能，函数的参数数量可变即为变参，使用…表示，在替换体中使用__VA_ARGS__，在printf形式时__VA_ARGS__等于字符串+变量列表，字符串带双引号，例如这个宏定义和printf效果一样：#define print(…) printf(__VA_ARGS__)，使用更复杂的形式时注意使用””字符串拼接，如下代码：

#define PRINT(x, ...) printf(#x": "__VA_ARGS__)
// 调用如下：
PRINT(MARK, "%s\n", "hello");

2、#include文件包含

预处理器会将#include后面的文件包含进指令的所在位置，#include<stdio.h>相当于将stdio.h文件的所有内容复制到该位置。#include包含的形式有两种：尖括号<>和双引号””，尖括号<>的形式表示从标准系统目录中查找头文件，双引号””表示先查找当前目录（或指定的其它目录），未找到再查找标准系统目录，本地目录包括：文件所在目录、项目文件目录和工作目录，示例代码如下：

#include <stdio.h> // 从标准系统目录查找
#include "socket/socket.h" // 从指定位置查找，当前文件目录的socket目录
#include "usr/sys/types.h" // 从系统指定位置查找
#include "pro_10.h" // 从当前文件目录中查找

自定义头文件

1、头文件的标准信息：符号常量（宏定义，对象宏），宏函数，函数声明（extern函数原型），结构体数据模板定义（结构体类型声明），类型定义（类型别名，使用#define和typedef定义）。

2、自定义头文件注意：头文件的主要任务是声明程序的所需信息，并不是可执行代码（代码实现），包括声明和预处理指令，不过内联函数可以放在头文件中，内联函数也是一种函数原型声明，源代码文件提供可执行代码（声明的实现），数据或函数的实现。防止重包含使用#ifndef #define #endif，下面是头文件user.h的代码示例：

// 防止文件重包含
#ifndef CPRO_USER_H
#define CPRO_USER_H

// 宏定义：对象宏和函数宏
#define PI 3.14
#define SIZE 36
#define PS(x) printf("string: "#x"\n")

// 结构体数据模板定义
struct user{
    int id;
    int age;
    char email[256];
    char name[256];
    char description[1024];
    char password[256];
};

// 类型定义
typedef struct user User;
#define PUser struct user *

// 函数声明
void addUser(User *);
void deleteById(int id);
void updateById(User *user, int id);
User * getById(int id);

#endif //CPRO_USER_H

3、其它预处理指令

（1）#undef

取消#define已定义指令，或取消可能存在的指令，如#undef PI表示如果之前使用#define已定义PI，那么取消PI的定义，此后不再有作用，除非重定义。

（2）条件编译

条件编译可以让程序更容易移植，或选择不同的实现，涉及的预编译指令有如下三个：

#ifdef、#else、#endif，可嵌套使用，和if else else if的意思一样，但主要用于检查标识符，如下示例：

#define SYS_ANDROID
#define SYS_LINUX
#define SYS_MAC
#define SYS_WINDOWS

#define SYS SYS_LINUX

#ifdef SYS_LINUX
#pragma message("sys: linux")
struct linux{
        char version[64];
        char password[256];
    };
#else
#pragma message("sys: android")
    struct os{

    };
#endif

#ifndef，该指令一般用于避免文件重复包含，宏标识符通常使用文件名的大写，使用下划线代替点，但避免使用下划线开头，下划线开头是系统使用的前缀，可以使用这种命名方式：项目名_文件名_H，例如：

#ifndef LION_SOCKET_H
#define LION_SOCKET_H
    struct socket{
        char *iobuf;
    };
    int socket(int, int);

#endif

#if、#elif和#else、#endif，用于检查值，例如：#if value == 1，检查宏标识符可结合defined()，例如：#if defined(N)，示例代码如下：

#define N 3
#if N == 1
#pragma message("N == 1")
#elif N == 2
#pragma message("N == 2")
#elif N == 3
#pragma message("N == 3")
#endif

#undef N
#define N
#if defined(N)
#pragma message("defined N")
#endif

（3）C标准预定义宏

标准定义宏是C本身有的，有的是C99和C11新增的，标准宏如下表所示：

另外，__func__不是预定义宏，是一个预定义的标识符，代表当前函数名的字符串，需要具有函数作用域，示例代码如下：

#define PINT(x) printf(""#x": %d\n", x)
#define PLONG(x) printf(""#x": %ld\n", x)
#define PSTR(x) printf(""#x": %s\n", x)

void print_13_01(void){
    PSTR(__DATE__); // 当前日期：May 24 2019
    PSTR(__FILE__); // 当前文件名：C:\cpro\pro_13.c
    PINT(__LINE__); // 当前行号：15
    PINT(__STDC__); // 当前C标准：1
    PINT(__STDC_HOSTED__); // 本机环境：1
    PLONG(__STDC_VERSION__); // 当前C版本号：199901
    PSTR(__TIME__); // 当前项目编译时间：13:10:17
    PSTR(__func__); // 当前函数名：print_13_01
}

（4）#line和#error

#line用于重置当前行号__LINE和文件名__FILE__，使用方式为：#line <LINE> <FILE>，例如#line 100 “file.c”。#error让预处理器报错，停止编译，使用方式为：#error <message>，message为错误信息。

（5）#pragma

用于编译提示，设置编译器编译参数，C99提供同样功能的_Pragma(“”)，常见的有#pragma message(“”)输出编译信息，#pragma once只能被编译一次，#pragma pack指定内存对齐字节数大小。

（6）泛型选择表达式_Generic

使用形式为：_Generic(x, type: value, default: “”)，type为x的数据类型，value为type对应的值，default为默认值，_Generic类似于switch的使用，示例代码如下：

#define TYPE(x) _Generic(x, int: "int", double: "double", char *: "string", default: "none")
    char *typeStr = TYPE("STD");
    PSTR(typeStr);

4、函数说明符和特别函数

（1）内联函数

前面提到的宏函数也是一种可进行代码内联的宏函数，内联函数使用inline修饰函数，但是和宏函数不同，内联函数不一定是代码内联的，它只是建议尽快调用函数，编译器可能会将内联代码代替函数调用，或进行其它优化，但也可能不起作用，内联函数的作用是尽可能加快执行速度，所以到目前为止，进行代码内联的方式有：函数宏和内联函数。

内联函数的标准要求有：该函数具有内部链接，使用static修饰函数；定义和调用都只能在一个文件中，因为编译器需要知道函数的具体内容；内联函数相当于函数原型，一般在头文件中定义；函数体的代码应该尽量少。

内联函数的限制有：无函数地址，没有函数代码块，若获取地址，会尝试非内联函数；不会在调试器中显示。

另外允许混合使用内联函数和外链接函数，即static和inline可不同时使用，示例代码如下：

static inline int add(int a, int b){
    return a + b;
}
PINT(add(3, 4));

（2）_Noreturn函数

_Noreturn同样是一个函数说明符，表示方式无返回值，执行完函数后不返回主调函数。

三、函数库

1、C标准库

ANSI C标准库基于UNIX开发而来，访问C库的方式有：自动访问，手动声明函数原型，即使用extern作引用式声明；文件包含，使用#include指令；库包含，编译包含，链接文件，编译时链接，链接静态库文件和动态库文件。

函数库的描述主要有头文件，例如#include <stdio.h>，函数原型size_t fread(void *ptr, size_t, size_t, FILE*)，及其参数返回值说明，在查看手册或相关参考文档时都需要注意这几点的说明。

2、C常用函数库

（1）数学库

math.h，三角函数相关需要使用弧度单位，tgmath.h泛型类型宏函数形式的函数。

（2）通用工具库

stdlib.h，其中atexit和exit提供程序退出的相关功能，atexit注册退出时执行的函数，执行顺序按照后进先执行，exit执行刷新输入输出缓冲区，并返回主机环境。

qsort，快速排序，一共有四个参数，第一个参数是数组的指针，第二个参数是元素的数量，第三个参数是元素的大小，第四个参数是一个排序比较函数指针，下面是一些示例代码：

void task_01(void);
void task_02(void);

#define SIZE 6

struct apple{
    int color;
    int size;
};

int compare_size(const void *a, const void *b);

void print_13_02(void){
    struct apple apples[SIZE] = {
            {34, 12}, {20, 21}, {57, 8}, {14, 64}, {13, 49}, {67, 34}
    };
    qsort(apples, SIZE, sizeof(struct apple), compare_size);
    for (int i = 0; i < SIZE; ++i) {
        if(i != SIZE - 1)
            printf("{%d, %d} ", apples[i].color, apples[i].size);
        else
            printf("{%d, %d}\n", apples[i].color, apples[i].size);
    }

    atexit(task_02);
    atexit(task_01);
    exit(EXIT_SUCCESS); // 执行顺序为：task_01 => task_02
}

// 升序排序
int compare_size(const void *a, const void *b){
    struct apple *left = (struct apple *)a;
    struct apple *right = (struct apple *)b;
    if(left->size > right->size)
        return 1;
    else if(left->size < right->size)
        return -1;
    else
        return 0;
}

void task_01(void){
    PSTR("task 01");
}

void task_02(void){
    PSTR("task 02");
}

（3）断言库

断言库是用于程序测试的，由头文件assert.h提供相关功能，使用assert(int)函数宏进行运行时测试数据的正确性，参数为布尔值，测试结果为假则将错误信息写出stderr，并调用abort()终止调用。

另外C11提供_Static_assert(int, char*)声明，用于编译时检查程序，错误则终端编译，该声明可以出现在任何地方，int，布尔值，char*，错误信息。

（4）字符串处理库

头文件为string.h，这个库之前已经详细讨论过了，这里稍微指出两个函数，memcpy和memmove函数，两个函数都产生内存复制，其中memcpy建议两个内存不重复，而memmove两个内存可重复。

（5）可变参数库

头文件为stdarg.h，提供函数可变参数的相关处理，其实现比较复杂，详细实现步骤如下：

1）使用省略号…作为参数可变参数，至少有一个形参，并且省略号在最后，例如：void run(int x, …)；

2）创建va_list类型的变量A，储存可变参数的数据对象，如va_list A；

3）使用宏初始化A为一个参数列表，如：va_start(A, x)；

4）使用宏访问参数列表，如：int a = va_arg(A, int)，type: int, double, …，这会逐个访问，不能回退，若需要回退可使用va_copy(c, A)对A进行复制；

5）使用宏清理，如：va_end(A)，释放A内存，不能再继续使用A，除非重新va_start。

完整实例代码如下：

void pin(int count, ...);

void print_13_03(void){
    pin(2, 88, 3.1415926);
}

void pin(int count, ...){
    va_list list;
    va_start(list, count);
    int a = va_arg(list, int);
    double b = va_arg(list, double);
    printf("%d\n", a);
    printf("%f\n", b);
    va_end(list);
}