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C预处理器和C库

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C 预处理器和 C 库

1 翻译程序工具 —-> 编译器

在预处理之前，编译器会做一些翻译处理工作。

  • 把源代码中出现的字符映射到源字符集。
  • 定位每个反斜杠后面跟着换行符的实例，并直接删除。

    将物理行转换成逻辑行。

printf(“That's wond\
        erful!\n")；

转成

printf(“That's wonderful!\n");
  • 编译器把文本划分成预处理记号序列、空白序列 和 注释序列(记号是由空格、制表符或换行符分隔的项)。

⚠️ 注意：编译器会用一个空格字符替换每一条注释。

int /*这看起来不像是一个空格*/ fox;

将变成

int fox;

1.1 明示常量：define

#define预处理器 指令 和 其他预处理器指令一样，以 # 作为一行的开始。

ANSI 和后来标准都允许 # 前面有空格或 制表符，也允许在 # 和指令的其余部分之间有空格。

⚠️ 注意：指令长度仅限于一行(从#开始运行，到后面的第一个换行符为止)。

1.1.1 每行 define(逻辑行)的 3 部分

  • #define指令本身

  • 选定的缩写，也称为宏。

    宏代表值称为类对象宏。

    宏的名称中不允许有空格。遵循 C 变量的命名规则。

  • 替换列表或替换体。

    从宏替换文本的过程称为宏展开。

⚠️ 注意：可在#define行使用标准 C 注释。

宏可以表示任何字符串，也可表示整个 C 表达式。

预处理器不做计算，不对表达式求值 ，只替换字符序列。

1.2 在define中使用参数

用#define 创建类似函数的类函数宏,~不是函数。

类函数宏定义的圆括号可以有一个或多个参数，随后参数出现在替换体中。 ./函数宏定义的组成.png

MEAN 是宏标识符

函数调用和宏调用的区别

  • 函数调用：在程序运行时把参数的值传递给函数。
  • 宏调用在编译之前把参数记号传递给程序。

⚠️ 注意：必要时使用足够多的圆括号来确保运算结合的正确顺序。

不要在宏中使用递增或递减运算。

1.2.1 用宏参数创建字符串：运算符

例：

# define PSQR(X) printf("The square of X id %d .\n",((X)*(X)));

双引号字符串中的 X 视为普通文本，而不是可被替换的记号。

C 允许在字符串中包含宏参数。在类宏函数的替换体中，#号作为一个预处理运算符，可以把记号转化为字符串，这样的过程叫作字符串化(stringizing)。例如，双引号中想表示宏形参，则使用 #X 即可。

2 预处理器粘合剂：运算符

可用于类函数宏和对象宏的替换部分。把两个记号组合成一个新的标识符。

2.1 变参宏：... 和 __VA_ARGS__

通过把宏参数列表中最后的参数写成省略号(即3个点...)来实现这一功能。预定义宏__VA_ARGS__可用于替换部分中，表明省略号代表什么。

格式：

# define PR(...) printf(__VA_ARGS__)

C99/C11 对宏提供让用户自定义带可变参数的函数。由 stdvar.h 头文件提供。

⚠️ 记住：省略号只能代替最后的宏参数。

3 宏和函数的选择

3.1 如何选择？

  • 使用宏比普通函数更复杂一些，稍有不慎会有副作用。(一些编译器规定宏只能定义成一行)
  • 需要注意时间和空间的制衡。
    • 宏生成内联代码，在程序中生成语句。函数调用无论多少次，程序中只有一份函数语句的副本，节省了空间。
    • 程序的控制必须跳转到函数内，随后再返回主调函数，这比内联代码花费更多时间。
  • 对于简单的函数，程序员通常使用宏

3.1.1 宏的注意点

  • 宏名不允许有空格，但替换字符中可以有空格。
  • 圆括号把宏的参数和整个替换体括起来，能确保被括起来的部分在表达式正确展开。
  • 大写字母表示宏函数的名称(大写字母可以提醒程序员可能产生副作用)。例如：MAX(X,Y)
  • 如果打算使用宏加快程序运行速度，首先要确定使用宏和使用参数是否会导致较大的差异。

    在程序中使用一次的宏无法明显减少程序的运行时间，在嵌套循环中使用宏更有助于提高效率。

3.2 文件包含：include

预处理器在发现 #include指令时，会查看后面的文件名并把文件内容包含到当前文件中(替换源文件中的#include指令)，相当于被包含文件的全部内容输入到源文件#include 指令所在的位置。

# include<stdio.h>     // 尖括号是标准系统文件中
# include "mystuff.h"  // 双引号是自定义的头文件(一般是优先查找当前工作目录)

ANSI C 不为文件提供统一的目录模型，不同计算机所用的系统不同。

C 语言习惯用 .h 后缀表示头文件，一般是包含需要放在程序顶部的信息。

头文件经常包含一些预处理器指令。

#define指令、结构声明、typedef和函数原型 是编译器在创建可执行代码时所需的信息，而不是可执行代码。

用 #ifndef 和 #define 防止多重包含头文件。可执行代码通常是源代码文件中，而不是头文件中。

4 使用头文件

  • 明示常量：stdio.h 中定义的EOF、NULL和BUFSIZE(标准 I/O 缓冲区大小)
  • 宏函数：getc(stdin)通常用getchar()定义，而getc()经常用于定义较复杂的宏，头文件 ctype.h 通常包含 ctype系列函数的宏定义。
  • 函数声明：string.h 头文件包含字符串函数系列的函数声明(函数声明都是函数原型形式)。
  • 结构模版定义：标准 I/O 函数使用FILE结构(结构包含了文件和与文件缓冲区相关的信息)。FILE结构在头文件stdio.h中
  • 类型定义：标准 I/O 函数使用指向FILE的指针作为参数。

    stdio.h 用 #define 或 typedef 把FILE定义为指向结构的指针。

#include 和 #define 指令 是最常用的两个 C 预处理器特性。

4.1 其他指令

修改#define的值即可 生成 可移植性的代码。

#undef指令 取消 之前的#define定义。

#if、#ifdef、ifndef、#else、#elif 和 endif 指令 用于指定什么情况下编写哪些代码。

#line 指令用于重置行和文件信息。

#error 指令用于给出错误信息。

#pragma 指令用于向编译器发出指令。

4.1.1 undef指令

#undef指令用于 “取消” 已定义的 #define 指令。

处理器在识别标识符时，遵循与 C 相同的规则：标识符可以由 大写字母、小写字母、数字 和 下划线字符组成，且首字符不能是数字。

#define宏的作用域从它的文件中的声明处开始，直到用 #undef 指令取消宏为止，延伸至文件尾(以二者中先满足的条件作为宏作用域的结束)。

⚠️ 注意：如果宏通过头文件引入，则#define在文件中的位置取决于#include指令的位置。

4.1.2 条件编译

使用指令告诉编译器根据编译时的条件执行或忽略信息(或代码)块。

  • #ifdef、#else 和 #endif指令
    • ifdef 指令：预处理器已定义后面的标识符，则执行#else 或endif指令之前的所有指令并编译所有 C 代码。
    • 如果未定义标识符，且有#else指令，则执行#else 和 #endif指令直接的所有代码。

ifdef、#else 与 C 的if else的区别：

预处理器不识别用于标记块的花括号({}),因此使用 #else(如果需要) 和 #endif(必须存在) 来标记指令块。且这些指令结构可以嵌套或标记C语句块。

  • ifndef指令 与 ifdef 类似。只是逻辑相反。

#ifndef指令判断后面的标识符是否是未定义的，常用于定义之前未定义的常量。

#ifndef指令可以防止相同的宏被重复定义。

# ifndef SIZE
# define SIZE = 77
# endif

#ifndef指令通常用于防止多次包含一个文件。

# ifndef THINGS_H_
# define THINGS_H_
    /*此处省略了头文件中的其他内容*/
# endef
  • #if 和 elif指令 #if指令类似 C 中的 if。

#if后面跟整型常量表达式，如果表达式为非零，则表达式为真。

条件编译的好处：使得程序移植性强。

5 泛型选择

泛型编程：指没有特定类型，但指定一种类型，则可以转换成指定类型的代码。

泛型选择表达式：根据表达式的类型选择一个值。不是预处理器指令。

_Gerneric(x,int :0,float:1,double:2,default:3)

_Gerneric 是 C11 关键字。后面的圆括号内包含有多个逗号分隔的项。 与 switch 语句类似。

对于泛型选择表达式求值时，程序不会先对第一个项求值，只确定类型。

只有匹配标签的类型后才会对表达式求值。

5.1 内联函数(C99)和 _Noreturn函数(C11)

5.1.1 内联函数

函数调用会有一定的开销，原因：函数的调用过程包括建立调用、传递参数、跳转到函数代码并返回。

解决办法

  1. 使用宏使代码内联，可避免开销。
  2. C99 中方法：内联函数。

内部链接的函数可以成为内联函数。

内联函数的定义与调用该函数的代码必须在同一个文件中。

创建内联函数的方法：使用函数说明符inline 和存储类别说明符static。

内联函数无法在调试器中显示

如果是多个文件使用某个内联函数，则将内联函数定义放在头文件中，并在使用的文件中引入头文件即可。

一般情况下，不在头文件中放置可执行代码，内联函数特例。

5.1.2 _Noreturn函数

C11 中新增函数说明符_Noreturn ，表明调用后函数不返回主调函数。

exit() 函数是 _Noreturn 函数的特例。exit() 不会返回主调函数。

⚠️ 注意：与void类型不同，void函数的类型在执行完毕后返回主调函数，但它不提供返回值。

5.2 C 库

5.2.1 访问 C 库

  • 自动访问

    在使用函数之前必须先声明函数的类型，通过包含合适的头文件即可。

  • 文件包含

    通过#include 来引入。

  • 库包含

    通过编译时选项显式指定某些库。

    与包含头文件不同，头文件提供函数声明或原型。

    库选项告知系统到哪里查找函数代码。

5.2.2 数学库

./ANSIC标准的一些数学函数.png

5.2.3 通用工具库

通用工具库包含各种函数，包括随机数生成器、查找和排序函数、转换函数和内存管理函数。

这些函数均在 stdlib.h 头文件中

  • exit() 和 atexit() 函数 main()函数返回系统时将自动调用 exit() 函数。

atexit() 函数的用法 使用atexit() 函数，只需把退出时要调用的函数地址传递给atexit() 即可。

exit() 函数的用法

exit() 执行完 atexit() 指定的函数后，会完成一些清理工作：刷新所有输出流、关闭所有打开的流和关闭由标准I/O函数 tmpfile() 创建的临时文件。

  • qsort() 函数

快速排序算法(qsort()函数)：排序数组的数据对象。原型如下：

void qsort(void *base,size_t nmemb,size_t size,
            int (*compare)(const void *,const void *));

第 1 个参数：值指向待排序数组首元素的指针。可引用任何类型的数组。

第 2 个参数：待排序项的数量。

第 3 个参数：数组中每个元素占用的空间大小。

第 4 个参数：一个指向函数的指针(返回 int 类型的值且接受两个指向 const void 的指针作为参数)。

5.2.4 断言库

assert.h 头文件 支持的断言库：用于辅助调试程序的小型库。由 assert()宏组成，接受一个整型表达式作为参数。

assert() 的参数是一个条件表达式 或 逻辑表达式。

如果assert()中止程序，则首先会显示失败的测试、包含测试的文件名和行号。

C11 中新增 _Static_assert() ：

  • 第 1 个参数：整型常量表达式
  • 第 2 个参数：一个字符串

与 assert() 的区别

  • assert() 会导致 正在运行的程序中止。
  • _Static_assert() 可导致 程序无法编译通过。
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更新于 2022-09-13