C/C++ 宏详解

众多C++书籍都忠告我们C语言宏是万恶之首,但事情总不如我们想象的那么坏,就如同goto一样。宏有
一个很大的作用,就是自动为我们产生代码。如果说模板可以为我们产生各种型别的代码(型别替换),
那么宏其实可以为我们在符号上产生新的代码(即符号替换、增加)。

关于宏的一些语法问题,可以在google上找到。相信我,你对于宏的了解绝对没你想象的那么多。如果你
还不知道#和##,也不知道prescan,那么你肯定对宏的了解不够。

我稍微讲解下宏的一些语法问题(说语法问题似乎不妥,macro只与preprocessor有关,跟语义分析又无关):

1. 宏可以像函数一样被定义,例如:
#define min(x,y) (x    但是在实际使用时,只有当写上min(),必须加括号,min才会被作为宏展开,否则不做任何处理。

2. 如果宏需要参数,你可以不传,编译器会给你警告(宏参数不够),但是这会导致错误。如C++书籍中所描
述的,编译器(预处理器)对宏的语法检查不够,所以更多的检查性工作得你自己来做。

3. 很多程序员不知道的#和##
#符号把一个符号直接转换为字符串,例如:
#define STRING(x) #x
const char *str = STRING( test_string ); str的内容就是”test_string”,也就是说#会把其后的符号
直接加上双引号。
##符号会连接两个符号,从而产生新的符号(词法层次),例如:
#define SIGN( x ) INT_##x
int SIGN( 1 ); 宏被展开后将成为:int INT_1;

4. 变参宏,这个比较酷,它使得你可以定义类似的宏:
#define LOG( format, … ) printf( format, __VA_ARGS__ )
LOG( “%s %d”, str, count );
__VA_ARGS__是系统预定义宏,被自动替换为参数列表。

5. 当一个宏自己调用自己时,会发生什么?例如:
#define TEST( x ) ( x + TEST( x ) )
TEST( 1 ); 会发生什么?为了防止无限制递归展开,语法规定,当一个宏遇到自己时,就停止展开,也就是
说,当对TEST( 1 )进行展开时,展开过程中又发现了一个TEST,那么就将这个TEST当作一般的符号。TEST(1)
最终被展开为:1 + TEST( 1) 。

6. 宏参数的prescan,
当一个宏参数被放进宏体时,这个宏参数会首先被全部展开(有例外,见下文)。当展开后的宏参数被放进宏体时,
预处理器对新展开的宏体进行第二次扫描,并继续展开。例如:
#define PARAM( x ) x
#define ADDPARAM( x ) INT_##x
PARAM( ADDPARAM( 1 ) );
因为ADDPARAM( 1 ) 是作为PARAM的宏参数,所以先将ADDPARAM( 1 )展开为INT_1,然后再将INT_1放进PARAM。

例外情况是,如果PARAM宏里对宏参数使用了#或##,那么宏参数不会被展开:
#define PARAM( x ) #x
#define ADDPARAM( x ) INT_##x
PARAM( ADDPARAM( 1 ) ); 将被展开为”ADDPARAM( 1 )”。

使用这么一个规则,可以创建一个很有趣的技术:打印出一个宏被展开后的样子,这样可以方便你分析代码:
#define TO_STRING( x ) TO_STRING1( x )
#define TO_STRING1( x ) #x
TO_STRING首先会将x全部展开(如果x也是一个宏的话),然后再传给TO_STRING1转换为字符串,现在你可以这样:
const char *str = TO_STRING( PARAM( ADDPARAM( 1 ) ) );去一探PARAM展开后的样子。

7. 一个很重要的补充:就像我在第一点说的那样,如果一个像函数的宏在使用时没有出现括号,那么预处理器只是
将这个宏作为一般的符号处理(那就是不处理)。

我们来见识一下宏是如何帮助我们自动产生代码的。如我所说,宏是在符号层次产生代码。我在分析Boost.Function
模块时,因为它使用了大量的宏(宏嵌套,再嵌套),导致我压根没看明白代码。后来发现了一个小型的模板库ttl,说的
是开发一些小型组件去取代部分Boost(这是一个好理由,因为Boost确实太大)。同样,这个库也包含了一个function库。
这里的function也就是我之前提到的functor。ttl.function库里为了自动产生很多类似的代码,使用了一个宏:

#define TTL_FUNC_BUILD_FUNCTOR_CALLER(n)
template< typename R, TTL_TPARAMS(n) >
struct functor_caller_base##n
///…
该宏的最终目的是:通过类似于TTL_FUNC_BUILD_FUNCTOR_CALLER(1)的调用方式,自动产生很多functor_caller_base模板:
template struct functor_caller_base1
template struct functor_caller_base2
template struct functor_caller_base3
///…
那么,核心部分在于TTL_TPARAMS(n)这个宏,可以看出这个宏最终产生的是:
typename T1
typename T1, typename T2
typename T1, typename T2, typename T3
///…
我们不妨分析TTL_TPARAMS(n)的整个过程。分析宏主要把握我以上提到的一些要点即可。以下过程我建议你翻着ttl的代码,
相关代码文件:function.hpp, macro_params.hpp, macro_repeat.hpp, macro_misc.hpp, macro_counter.hpp。

so, here we go

分析过程,逐层分析,逐层展开,例如TTL_TPARAMS(1):

#define TTL_TPARAMS(n) TTL_TPARAMSX(n,T)
=> TTL_TPARAMSX( 1, T )
#define TTL_TPARAMSX(n,t) TTL_REPEAT(n, TTL_TPARAM, TTL_TPARAM_END, t)
=> TTL_REPEAT( 1, TTL_TPARAM, TTL_TPARAM_END, T )
#define TTL_TPARAM(n,t) typename t##n,
#define TTL_TPARAM_END(n,t) typename t##n
#define TTL_REPEAT(n, m, l, p) TTL_APPEND(TTL_REPEAT_, TTL_DEC(n))(m,l,p) TTL_APPEND(TTL_LAST_REPEAT_,n)(l,p)
注意,TTL_TPARAM, TTL_TPARAM_END虽然也是两个宏,他们被作为TTL_REPEAT宏的参数,按照prescan规则,似乎应该先将
这两个宏展开再传给TTL_REPEAT。但是,如同我在前面重点提到的,这两个宏是function-like macro,使用时需要加括号,
如果没加括号,则不当作宏处理。因此,展开TTL_REPEAT时,应该为:
=> TTL_APPEND( TTL_REPEAT_, TTL_DEC(1))(TTL_TPARAM,TTL_TPARAM_END,T) TTL_APPEND( TTL_LAST_REPEAT_,1)(
TTL_TPARAM_END,T)
这个宏体看起来很复杂,仔细分析下,可以分为两部分:
TTL_APPEND( TTL_REPEAT_, TTL_DEC(1))(TTL_TPARAM,TTL_TPARAM_END,T)以及
TTL_APPEND( TTL_LAST_REPEAT_,1)(TTL_TPARAM_END,T)
先分析第一部分:
#define TTL_APPEND( x, y ) TTL_APPEND1(x,y) //先展开x,y再将x,y连接起来
#define TTL_APPEND1( x, y ) x ## y
#define TTL_DEC(n) TTL_APPEND(TTL_CNTDEC_, n)
根据先展开参数的原则,会先展开TTL_DEC(1)
=> TTL_APPEND(TTL_CNTDEC_,1) => TTL_CNTDEC_1
#define TTL_CNTDEC_1 0  注意,TTL_CNTDEC_不是宏,TTL_CNTDEC_1是一个宏。
=> 0 , 也就是说,TTL_DEC(1)最终被展开为0。回到TTL_APPEND部分:
=> TTL_REPEAT_0 (TTL_TPARAM,TTL_TPARAM_END,T)
#define TTL_REPEAT_0(m,l,p)
TTL_REPEAT_0这个宏为空,那么,上面说的第一部分被忽略,现在只剩下第二部分:
TTL_APPEND( TTL_LAST_REPEAT_,1)(TTL_TPARAM_END,T)
=> TTL_LAST_REPEAT_1 (TTL_TPARAM_END,T) // TTL_APPEND将TTL_LAST_REPEAT_和1合并起来
#define TTL_LAST_REPEAT_1(m,p) m(1,p)
=> TTL_TPARAM_END( 1, T )
#define TTL_TPARAM_END(n,t) typename t##n
=> typename T1  展开完毕。

虽然我们分析出来了,但是这其实并不是我们想要的。我们应该从那些宏里去获取作者关于宏的编程思想。很好地使用宏
看上去似乎是一些偏门的奇技淫巧,但是他确实可以让我们编码更自动化。

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