【C语言】预处理详解

发布于：2025-08-03 ⋅ 阅读:(17) ⋅ 点赞:(0)

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预处理详解
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前言：

这一篇的内容基本是和上一篇预处理的拓展起来的，建议合在一起看：
《编译与链接全揭秘：从源代码到可执行文件》

一、预定义符号

C语言设置了一些预定义符号，可以直接使用，预定义符号也是在预处理期间处理的。

__FILE__ //进行编译的源文件
__LINE__ //文件当前的行号
__DATE__ //文件被编译的日期
__TIME__ //文件被编译的时间
__STDC__ //如果编译器遵循ANSI C，其值为1，否则未定义

示例：
在这里插入图片描述

二、#define定义常量

#define定义常量我们应该都已经用过了，我们再来简单的看一下：
基本语法：

#define name stuff

示例：

#define MAX 1000
#define reg register //为 register这个关键字，创建一个简短的名字
#define do_forever for(;;) //用更形象的符号来替换一种实现
#define CASE break;case //在写case语句的时候自动把 break写上。
// 如果定义的 stuff过长，可以分成几行写，除了最后一行外，每行的后面都加一个反斜杠(续行符)。
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \
date:%s\ttime:%s\n" ,\
__FILE__,__LINE__ , \
__DATE__,__TIME__ )

使用：

#include<stdio.h>
#define MAX 1000
int main()
{
	int a = MAX;
	printf("%d", a);
	return 0;
}

输出为1000，我们都知道，那咱们来看看在预处理阶段具体发生了什么？图示（预处理后的一部分代码截图）
片描述
我们知道，预处理之后形成的文件名后缀为.i，可见，预处理符号在预处理阶段会被直接处理并替换，如上例的1000替换MAX。

三、#define定义宏

#define 机制包括了⼀个规定，允许把参数替换到文本中，这种实现通常称为宏（macro）或定义宏（define macro）。
具体语法：

#define name( parament-list ) stuff

其中的parament-list 是⼀个由逗号隔开的符号表，它们可能出现在stuff中。
**写法上需注意：**参数列表的左括号必须与name紧邻，如果两者之间有任何空白存在，参数列表就会被解释为stuff的
⼀部分。
比如：

#define SQUARE(x) x*x//注意宏名与参数列表的左括号

那我们就再来看看上面这个宏，很明显，它会实现两个数相乘的功能，比如

#include<stdio.h>
#define SQUARE(x) x*x
int main()
{
	int a = 3;
	printf("%d", SQUARE(a));
	return 0;
}

在这里插入图片描述

那这样呢？

#include<stdio.h>
#define SQUARE(x) x*x
int main()
{
	int a = 3;
	printf("%d", SQUARE(a + 1));
	return 0;
}

在这里插入图片描述
预处理之后效果（.i文件一部分）
在这里插入图片描述
因为预处理符号在预处理阶段会被直接处理并替换，所以预处理后就为上图所示。
由替换产生的表达式并没有按照预想的次序进行求值。
那我们在宏定义上加上两个括号，这个问题便轻松的解决了：

#define SQUARE(x) (x) * (x)

这样预处理之后就产生了预期的效果：

printf ("%d\n",(a + 1) * (a + 1) );

再来看⼀个宏定义：

#define DOUBLE(x) (x) + (x)

在前面的代码中，我们在定义中使用了括号，想避免之前的问题，但是这个宏可能会出现新的错误。

int a = 5;
printf("%d\n" ,10 * DOUBLE(a));

这将打印什么值呢？看上去，好像打印100，但事实上打印的是55.。
我们发现替换之后：

printf ("%d\n",10 * (5) + (5));

乘法运算先于宏定义的加法，所以出现了 55 。
聪明的你，肯定想到了解决方法，在宏定义表达式两边加上⼀对括号就可以了。

1 #define DOUBLE( x) ( ( x ) + ( x ) )

所以在定义宏时不要吝啬(),尤其是用于对数值表达式进行求值的宏定义都应该用这种方式加上括号，避免在使用宏时由于参数中的
操作符或邻近操作符之间不可预料的相互作用。

四、带有副作用的宏

当宏参数在宏的定义中出现超过⼀次的时候，如果参数带有副作用，那么你在使用这个宏的时候就可能出现危险，导致不可预测的后果。副作用就是表达式求值的时候出现的永久性效果。

x + 1;//不带副作用
x++;//带有副作用

举例：

#include<stdio.h>
#define MAX(a, b) ( (a) > (b) ? (a) : (b) )
int main()
{
	int x = 5;
	int y = 8;
	int z = MAX(x++, y++);
	printf("x=%d y=%d z=%d\n", x, y, z);//输出的结果是什么？
	return 0;
}

输出：
在这里插入图片描述
首先来看预处理之后变化：

z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));

在这里插入图片描述
可见，带有副作用的宏可能会造成无法预料的后果，所以我们在定义宏的时候非必要情况下应避免这种写法。

五、宏替换的规则

代码示例：

#define SQUARE(x) ((x) * (x))           // 形式参数是 x
#define DOUBLE(x) ((x) + (x))           // 形式参数是 x
#define CALC(a, b) SQUARE(DOUBLE(a) + b) // 形式参数是 a 和 b

int main() {
    int x = 2;
    int y = 3;
    int z = CALC(x + 1, SQUARE(y));     // 调用 CALC，传入实际参数 (x + 1) 和 SQUARE(y)
    return 0;
}

以上述代码分析，在程序中扩展#define定义符号和宏时，需要涉及几个步骤。

  1. 参数预扫描
    在调用宏时，首先检查每个参数是否包含 #define 定义的符号。如果是，先展开这些参数（递归处理）。
  • 例如：CALC(x + 1, SQUARE(y)) 中，SQUARE(y) 是一个宏，所以先展开 SQUARE(y) → (y * y)。
    这一步确保 参数本身先被完全展开，再替换进宏体。
  1. 参数替换
    将宏定义中的形式参数替换为已经展开的实际参数（即“参数名被他们的值替换”）。
  • 例如：CALC(a, b) 的 a 和 b 分别替换为 x + 1 和 (y * y)。
    这一步是 宏替换的本质，即形参→实参的文本替换。
  1. 宏体展开
  • 替换后的宏体再次被扫描，检查是否还有可展开的宏。如果有，重复上述过程，直到没有宏可展开。
    例如：SQUARE(DOUBLE(x + 1) + (y * y)) 中的 DOUBLE 和 SQUARE 会继续展开。

注意：

  1. 宏参数和#define 定义中可以出现其他#define定义的符号。但是对于宏，不能出现递归。
  2. 当预处理器搜索#define定义的符号的时候，字符串常量的内容并不被搜索。

六、宏和函数对比

这样一看，宏和函数很像啊。
其实宏通常被应用于执行简单的运算。
比如在两个数中找出较大的⼀个时，写成下面的宏，更有优势⼀些。

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

那为什么不用函数来完成这个任务？
原因有二：

  1. 用于调用函数和从函数返回的代码可能比实际执行这个小型计算工作所需要的时间更多。所以宏比函数在程序的规模和速度方面更胜⼀筹。（存在函数栈帧）
  2. 更为重要的是函数的参数必须声明为特定的类型。所以函数只能在类型合适的表达式上使用。反之这个宏则可以适用于整形、长整型、浮点型等可以用于 > 来比较的类型。宏的参数是类型无关的。

宏的优势了解完，那就来看下劣势吧
和函数相比宏的劣势：

  1. 每次使用宏的时候，⼀份宏定义的代码将插入到程序中。除非宏比较短，否则可能大幅度增加程序的长度。
  2. 宏是没法调试的。
  3. 宏由于类型无关，也就不够严谨。
  4. 宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程容易出现错误。

但是宏有时候可以做函数做不到的事情。比如：宏的参数可以出现类型，但是函数做不到。

#define MALLOC(num, type)\
(type )malloc(num,sizeof(type))
...
//使⽤
MALLOC(10, int);//类型作为参数
//预处理器替换之后：
(int *)malloc(10,sizeof(int));

我们来对函数和宏做个对比吧。

宏（#define）与函数的对比

属性 #define定义宏 函数
代码长度 每次使用时，宏代码都会被插入到程序中。除非常小的宏外，程序长度会大幅增长。 函数代码只出现于一个地方；每次调用时都调用同一份代码。
执行速度 更快（无调用开销） 较慢（存在函数调用和返回的额外开销）
操作符优先级 宏参数的求值受周围表达式环境影响，需加括号避免优先级问题。 函数参数在调用时求值，结果明确传递，表达式行为可预测。
副作用参数 参数可能被替换到宏体多个位置，多次计算可能导致不可预料结果。 参数仅在传参时求值一次，行为可控。
参数类型 与类型无关，只要操作合法即可使用任意类型。 与类型相关，不同类型需不同函数（或重载）。
调试 不方便调试（预处理器替换后代码不可见）。 可逐语句调试。
递归 不能递归。 可以递归。

七、#和##

7.1 #运算符

看代码

#include<stdio.h>
int main()
{
	int i = 10;
	char c = 'c';
	float f = 5.20f;
	printf("the value of i is %d\n", i);
	printf("the value of c is %c\n", c);
	printf("the value of f is %f\n", f);
	return 0;
}

我们会发现，要输出每个变量的=值，代码有点冗余，那怎么办，聪明的你可能会想到，用宏：

#define PRINT(n) printf("the value of n is %d", n);

对吗，答案是不对，** 宏替换是不能替换字符串字面量中的内容， 仅替换宏参数作为标识符出现的地方。**
这个时候，就可以用到#运算符，它可以将宏的⼀个参数转换为字符串字面量。它仅允许出现在带参数的宏的替换列表中。
#运算符所执行的操作可以理解为"字符串化"。
当我们想要实现上述想法的功能时，
就可以写：

#define PRINT(n,format) printf("the value of "#n" is "#format"\n", n);

则开始的代码可写为：

#include<stdio.h>
#define PRINT(n,format) printf("the value of "#n" is "#format"\n", n);
int main()
{
	int i = 10;
	char c = 'c';
	float f = 5.20f;
	PRINT(i, %d);
	PRINT(c, %c);
	PRINT(f, %f);
	return 0;
}

当我们以这样的方式调用的时候：
PRINT(i, %d);;//当我们把i、%d替换到宏的体内时，就出现了#i、#%d，而#i就是转换为"i"，#%d就是转换为"%d"为字符串
代码就会被预处理为：

	printf("the value of i is %d\n", i);

解释一个点，对于printf函数，printf("str1""str2""\n"); 与 printf("str1str2\n");等效。

7.2 ##运算符

##可以把位于它两边的符号合成⼀个符号，它允许宏定义从分离的文本片段创建标识符。##被称为记号粘合
这样的连接必须产生一个合法的标识符。否则其结果就是未定义的。
这里我们想想，写⼀个函数求2个数的较大值的时候，不同的数据类型就得写不同的函数。
比如：

int int_max(int x, int y)
{
	return x > y ? x : y;
}
float float_max(float x, float y)
{
	return x > y ? x : y;
}

很明显，这样写起来太繁琐了，现在我们这样写代码试试：

//宏定义
#define GENERIC_MAX(type) \
type type##_max(type x, type y)\
{ \
return (x>y?x:y); \
}

使用宏，定义不同函数

GENERIC_MAX(int) //替换到宏体内后int##_max 生成了新的符号 int_max做函数名
GENERIC_MAX(float) //替换到宏体内后float##_max 生成了新的符号 float_max做函数名
int main()
{
	//调用函数
	int m = int_max(2, 3);
	printf("%d\n", m);
	float fm = float_max(3.5f, 4.5f);
	printf("%f\n", fm);
	return 0;
}

输出：
在这里插入图片描述
一切正常，我们再来看看预处理阶段发生了什么？
在这里插入图片描述
想必，现在已经很明白了。

八、命名约定

⼀般来讲函数的宏的使用语法很相似。所以语言本身没法帮我们区分二者。
那我们平时的⼀个习惯是：

把宏名全部大写
函数名不要全部大写

在前面的代码示例中，我也是保持这样的写法。

九、#undef

这条指令用于移除⼀个宏定义。

#undef NAME
//如果现存的一个名字需要被重新定义，那么它的旧名字首先要被移除。

示例：

#include<stdio.h>

int main()
{
#define M 10
	printf("%d\n", M);
#undef M
	//printf("%d\n", M);// 这里会编译错误，因为 M 已被取消定义
#define M 20
	printf("%d\n", M);
	return 0;
}

十、命令行定义

许多C 的编译器提供了⼀种能力，允许在命令行中定义符号。用于启动编译过程。
例如：当我们根据同⼀个源文件要编译出⼀个程序的不同版本的时候，这个特性有点用处。（假定某个程序中声明了⼀个某个长度的数组，如果机器内存有限，我们需要⼀个很小的数组，但是另外⼀个机器内存大些，我们需要⼀个数组能够大些。）

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[SIZE];//SIZE未定义
	int i = 0;
	for (i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		arr[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	printf("\n");
	return 0;
}

可以在vscode中来用一下
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
当然，有兴趣的话大家也可以在vscode实验一番。

十一、条件编译

在编译⼀个程序的时候我们如果要将⼀条语句（⼀组语句）编译或者放弃是很方便的。因为我们有条件编译指令。
比如说：

调试性的代码，删除可惜，保留又碍事，所以我们可以选择性的编译。

#include <stdio.h>
#define __DEBUG__
int main()
{
	int i = 0;
	int arr[10] = { 0 };
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i;
		#ifdef __DEBUG__
		printf("%d\n", arr[i]);//为了观察数组是否赋值成功。
		#endif //__DEBUG__
	}
	return 0;
}

在不需要输出的时候，可以选择将#define __DEBUG__删除即可。
常见的条件编译指令：

1.
#if 常量表达式
//...
#endif
//常量表达式由预处理器求值。
如：
#define __DEBUG__ 1
#if __DEBUG__
//..
#endif

2.多个分⽀的条件编译
#if 常量表达式
//...
#elif 常量表达式
//...
#else
//...
#endif

3.判断是否被定义
#if defined(symbol)
//...
#endif
#ifdef symbol
//...
#endif

#if !defined(symbol)
//...
#endif
#ifndef symbol
//...
#endif

4.嵌套指令
#if defined(OS_UNIX)
	#ifdef OPTION1
		unix_version_option1();
	#endif
	#ifdef OPTION2
		unix_version_option2();
	#endif
#elif defined(OS_MSDOS)
	#ifdef OPTION2
		msdos_version_option2();
	#endif
#end

十二、头文件的包含

12.1 头文件被包含的方式

本地文件包含

 #include "filename"

查找策略：先在源文件所在目录下查找，如果该头文件未找到，编译器就像查找库函数头文件⼀样在标准位置查找头文件。
如果找不到就提示编译错误。
**Linux环境的标准头文件的路径： **

/usr/include

**VS环境的标准头文件的路径： **

C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 12.0\VC\include
//这是VS2013的默认路径

注意按照自己的安装路径去找。

库文件包含

#include <filename.h>

查找头文件直接去标准路径下去查找，如果找不到就提示编译错误。
这样是不是可以说，对于库文件也可以使用""的形式包含？
答案是肯定的，可以，但是这样做查找的效率就低些，当然这样也不容易区分是库文件还是本地文件了。

12.2 嵌套文件包含

我们已经知道，#include 指令可以使另外⼀个文件被编译。就像它实际出现于#include指令的地方⼀样。
这种替换的方式很简单：预处理器先删除这条指令，并⽤包含文件的内容替换。
⼀个头文件被包含10次，那就实际被编译10次，如果重复包含，对编译的压力就比较大。
例如：
在这里插入图片描述
具体
在这里插入图片描述
如果直接这样写，test.c文件中将test.h包含5次，那么test.h文件的内容将会被拷贝5份在test.c中。
如果test.h 文件比较大，这样预处理后代码量会剧增。如果公程比较大，有公共使用的头文件，被大家都能使用，又不做任何的处理，那么后果真的不堪设想。
如何解决头文件被重复引入的问题？答案：条件编译。
每个头文件的开头写：

#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
//头⽂件的内容
#endif //__TEST_H__

或者

#pragma once

就可以避免头⽂件的重复引入。
在vs2022中，创建头文件的话，就会自动添加#pragma once
在这里插入图片描述
到此，我们就可以来看两个笔试题：

  1. 头文件中的 ifndef/define/endif是干什么用的?
  2. #include <filename.h> 和 #include “filename.h” 有什么区别?

解释都在文章中。
对于预处理，咱们就学习到这里，当然，还有其他预处理指令为介绍到，比如:

#error
#pragma
#line
...
#pragma pack()//在结构体部分介绍过

咱们就不做介绍，自己有兴趣可以去了解了解。

总结

对于预处理，我们就说到这里。
而对于C语言的语法知识，我们也就更新完毕，后面我会再分享用C语言实现几个小游戏。请耐心等待，谢谢支持！！！
码字不易，还请一键三连，谢谢！！！

附录

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