C语言_编译和预处理

发表于2021-08-23更新于2025-09-28阅读次数

内容

本章主要讲解了预处理的三种方式：宏定义、文件包含、条件编译

学习目标

  1. 掌握无参数宏定义和带参数宏定义的使用方法
  2. 学会使用文件包含
  3. 熟悉条件编译指令的使用方法

预处理命令的作用不是实现程序的功能，而是给C语言编译系统提供信息，通知C编译器在对源程序进行编译之前应该做哪些预处理工作。预处理是指在进行编译之前所作的处理，由预处理程序负责完成。接下来还要经过编译、链接，才能变成可执行程序。本章节将结合案例对编译和预处理的相关知识进行详细讲解。

最简单的预处理-不带参宏定义

案例描述

为了引入“预处理”这个概念，本案例要求将矩形的长和宽设置为宏，然后再求出矩形的面积。这事最简单的预处理。

案例分析

宏定义是预处理最常用的功能之一，它用于将一个标识符定义为一个字符串。这样，在源程序被编译器处理之前，预处理器会将标识符替换成定义的字符串。根据是否带参数，可以将宏定义分为无参数宏定义和带参数宏定义。本案例要学习的是不带参数的宏定义。

必备知识

不带参数的宏定义

在程序中，经常会定义一些常量，例如，3.14、“ABC”。如果这些常量在程序中被频繁使用，难免会出现书写错误的情况。为了避免程序书写错误，可以使用不带参数的宏定义来定义这些常量，其语法格式如下：

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#define 标识符 字符串

在上述语法格式中，"#define"用于标识一个宏定义，"标识符"指的是所定义的宏名，"字符串"指的是宏体，它可以是常量、表达式等。一般情况下，宏定义需要放在源程序的开头，函数定义之外。它的有效范围是从宏定义语句开始到源文件结束。一般宏名都是大写字母，以便于与其他的操作符区别。

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#define PI 3.141592

#undef指令取消宏定义

与#define相对，还有#undef指令用于取消宏定义，当使用#define定义了一个宏之后，如果预处理器在接下来的源代码中看到了#undef指令，那么#undef后面的代码中这个宏将会失效，如下代码所示。

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#include<stdio.h>
#define PI 3.14
int main()
{
    printf("%f\n",PI);
#undef PI
    printf("%f\n",PI);
    return 0;
}

运行这段程序，会报错

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IntelliSense: 未定义标识符 "PI"		//7行17列
error C2065: "PI": 未声明的标识符	   //7行1列

第二简单的预处理-带参宏定义

案例描述

在之前的章节中，我们已经学过简单的数据交换。本案例要求使用宏定义，依次交换两个一维数组中的元素。

案例分析

本案例要实现两个一维数组中元素的依次交换，整个交换过程包含多次数组元素的交换。结合之前学习的知识，可以使用函数实现简单的数据交换功能，在使用循环遍历数组的同时，调用交换函数，实现数组元素的交换。本案例要求使用宏定义实现此功能。

因为数组遍历的过程中，数据在不断改变，而不带参宏定义中只能定义固定的内容。这里我们需要使用第二简单的预处理方法——带参宏定义来完成本案例。

必备知识

带参数的宏定义

语法格式如下所示：

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#define 标识符(形参表) 字符串

上述语法格式和不带参数的宏定义有些类似，不同的是多了一个括号，括号中的“形参表”由一个或多个形参组成，当多于一个形参时，形参之间要用逗号进行分隔。

对于带参数的宏定义来说，同样需要使用字符串替换宏名，使用实参替换形参。

与带参函数的区别

带参宏定义和带参函数有时可以实现同样的功能，但两者有本质的不同，具体如表所示。

基本操作 带参数的宏定义 带参数的函数
处理时间节点 预处理时 程序运行时
参数类型 无 需定义参数类型
参数传递 不分配内存，无值传递的问题 分配内存，将实参值代入形参
运行速度 快 相对较慢，因为函数的调用会涉及到参数的传递、压栈、出栈等操作

务必要注意的问题

来看一个例子

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#define ABS(x) ((x)>=0 ? (x): -(x))

这是一个求绝对值的带参宏定义，调用这个宏定义，代码如下所示：

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double x = 12;
printf("%d \n",ABS(++x));

输出的结果是14，显然与我们的初意中的12不相符。这是因为在预处理时，表达式"ABS(++x)“会被替换为”( (++x)>=0 ? (++x): -(++x) ) "，因此结果是14。

那么，这就是带参宏定义时要注意的问题，宏定义中的参数替换是“整体”替换，不像是函数中只是参数之间的值传递。

案例实现

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#include<stdio.h>
#define SWAP(a,b) {int temp = a; a=b; b=temp;}
int main()
{
    int i,j;
    int a[5]={3,4,5,6,7};
    int b[5]={5,6,7,8,9};
    for(int i = 0;i<5;i++)
    {
        SWAP(a[i],b[i]);
    }
    printf("After swaping:\n");
    for(int i = 0;i<5;i++)
    {
        printf("%d ",a[i]);
    }
    printf("\n");
    for(int i = 0;i<5;i++)
    {
        printf("%d ",b[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}
//运行结果：
After swaping
5 6 7 8 9
3 4 5 6 7

关于宏定义中参数的替换-要注意的问题

表达式字符串中出现运算符

若宏定义中的字符串出现运算符，需要在合适的位置上加上括号，如果不添加括号可能会出现错误。例如

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#define S 3+4
int c = 100;
int a = S*c		//3+4*c == 403 而非 7*c ==700

宏定义的末尾不要加分号

如果加了分号，将被视为被替换字符串的一部分。

宏定义不会进行严格的语法检查，因此宏替换的错误要等到系统编译时才能被发现，例如：

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#define Max=20;
....
if(result == Max)	//if(result==20;)
{
    printf("equal");
}
//显然if语句会出错

宏定义允许嵌套

在宏定义的字符串中可以使用已经定义的宏名。

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#define PI 3.141592
#define P PI*x
printf("%f",P);		//替换后的语句为printf("%f",3.141592*x);

但宏定义不支持递归，因此下面的宏定义是错误的：

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#define Max Max+5

预处理的第二种方式-文件包含

案例描述

要求设计一个头文件，将经常使用的输出模式都写进头文件中，方便编写代码。

案例分析

除宏定义外，文件包含也是一种预处理语句，它的作用就是将一个源程序文件包含到另外一个源程序文件中。

必备知识

文件包含命令的形式

同引入头文件一样，文件包含也是使用#include指令实现的，它的语法格式有两种，具体如下

格式一

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#include <文件名>

格式二

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#include "文件名“

区别

上述两种格式都可以实现文件包含，不同的是，格式一是标准形式，当使用这种格式时，C编译系统在系统指定的路径下搜索尖括号(<>)中的文件；当使用第二种格式时，系统首先会在用户当前工作的目录中搜索双引号(“”)中的文件，如果找不到，再按系统指定的路径进行搜索。

案例实现

foo.h代码如下：

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#define INT(x) printf("%d\n",x)

main.c代码如下：

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#include <stdio.h>
#include "foo.h"
int main()
{
    int a;
    printf("Please input an integer:\n");
    scanf("%d",&a);
    INT(a);		//替换为"printf("%d\n",a)" + ";"
    return 0;
}

32还是64-条件编译

案例描述

要求使用条件编译，根据条件输出对应的判定结果：如果系统是32位的，就输出“系统是32位的”；如果系统是64位的，就输出“系统是64位的”。

案例分析

上文提到的“条件编译”也是预处理的一种方式。

一般情况下，C语言程序中的所有代码都要参与编译，但有时出于程序代码优化的考虑，希望源代码中一部分内容只在指定条件下进行编译。这种根据指定条件，只对程序一部分内容编译的情况，称为条件编译。

在C语言中条件编译指令的形式有很多种，接下来将详细讲解一种最常见的条件编译指令：#if/#else/#endif，该指令根据常数表达式来决定某段代码是否执行。

必备知识

#if/#else/#endif指令

通常情况下，#if指令、#else指令和#endif指令是结合在一起使用的，其语法格式如下所示：

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#if 判断表达式
	程序段
#else
    程序段2
#endif

在上述语法格式中，编译器只会编译程序段1和程序段2中的一段。当条件为真时，编译器会编译程序段1，否则编译程序段2。

案例实现

案例设计

  1. 定义两个宏，分别表示Windows32位和64位平台；
  2. 定义宏SYSTEM表示其中某个平台；
  3. 使用条件编译指令判断SYSTEM值，并输出结果到屏幕上。

完整代码

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#include <stdio.h>
#define Win32 0
#define x64 1
#define SYSTEM Win32		//定义宏SYSTEM是32位的
int main()
{
#if SYSTEM == Win32			//此处条件成立
    printf("Win32\n");
#else
    printf("x64");
#endif
    return 0;
}
//执行printf("Win32\n");
运行结果为 Win32

#ifdef-神奇的#include<stdio.h>

案例描述

在同一文件中写两遍"#include<stdio.h>"，编译器进行编译时为什么没有报错呢？按常理而言，文件"stdio.h"中的函数和数据类型等必然被定义了两次，此时编译器应该报出"重定义"的错误，但实际上编译十分顺利。

案例分析

在上一个案例中我们提到C语言中条件编译指令的形式有很多种，如果现在的你百思不得其解，那是因为你没有学过另一种条件编译指令：#ifdef和#ifndef。下面来讲解。

必备知识

#ifdef指令

如果想判断某个宏是否被定义，可以使用#ifdef指令，通常情况下，该指令需要和#endif一起使用，#ifdef指令的语法格式如下所示：

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#ifdef 宏名
	程序段1
#else
    程序段2
#endif

在上述语法格式中，#ifdef指令用于控制单独的一段源码是否需要编译，它的功能类似于一个单独的#if/#endif

#ifndef指令

和#ifdef相反，#ifdef用来确定某一个宏是否没有被定义，如果宏没有被定义，那么就编译#ifndef和#endif中间的内容，否则就跳过。其语法格式如下所示：

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#ifndef 宏名
    程序段1
#else
    程序段2
#endif

案例实现

如果我们打开"stdio.h"这个文件，便会发现其开头是这样的两行代码。

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#ifndef _STDIO_H_
#define _STDIO_H_

在其结尾有这样一行代码：

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#endif /* _STDIO_H_ */

这三行代码是三条预处理指令，也就是为什么写两遍"#include<stdio.h>"也不会报错。当然，写更多遍也不会报错。

这三行代码的含义是：如果"_STDIO_H_“没有定义过，那么就定义”_STDIO_H_“。仔细观察后我们会发现**”#define _STDIO_H_“后面什么都没写，其实这也是宏定义的一种写法——并不关注”_STDIO_H_"被定义成了什么，只关注他是否被定义过。**

综上分析可知，初次遇到"_STDIO_H_“的时候，由于宏”_STDIO_H_“尚未定义，因此，#ifndef条件成立，定义”_STDIO_H_“。当再次遇到”_STDIO_H_“的时候，#ifndef的条件不成立，因此它与”#endif"之间的内容就不会被编译了。

利用预定义宏得知程序允许到了何处

下面是<stdio.h>头文件中的五个预定义宏，利用这些宏可以轻松得知程序运行到了何处，有助于编程人员进行程序调试，具体如下表。

预定义宏 说明
_DATE_ 定义源文件编译日期的宏
_FILE_ 定义源代码文件名的宏
_LINE_ 定义源代码中行号的宏
_TIME_ 定义源代码编译时间的宏
_FUNCTION_ 定义当前所在函数名的宏