深入理解C语言中宏定义

从本质上看，C语言中的宏定义实现的是一个文本替换的功能，似乎很简单的样子，然而这几天去看了下Linux Kernel源码中的各种宏定义，才发现一个宏定义竟然也可以有如此多的奇技淫巧……于是花了一天时间仔细研究了下宏的相关知识，此处整理总结下。

关于宏，网上有一组写得极好的文章，基本上看完这几篇文章就可以对宏有一个深入的理解了：

宏定义黑魔法-从入门到奇技淫巧 (1) —— 基本概念
宏定义黑魔法-从入门到奇技淫巧 (2) —— object-like宏的展开
宏定义黑魔法-从入门到奇技淫巧 (3) —— function-like宏的展开
宏定义黑魔法-从入门到奇技淫巧 (4) —— 一些宏的高级用法
宏定义黑魔法-从入门到奇技淫巧 (5) —— 图灵完备
宏定义黑魔法-从入门到奇技淫巧 (6) —— 宏的一些坑

作者的知乎上也有一份相同的备份。

相同的内容此处就不再重复了，此处列出一些要点。

• 带参数的宏中可以使用两个特殊运算符，#(Stringification Operator)和##(Token Pasting Operator)，作用分别是把宏参数变为字符串字面量和连接两个token。且遇到这两个运算符时，宏参数不会展开。
• 宏的嵌套展开过程中，已展开过的宏不会重复展开。
• 宏展开后，会进一步检查是否构成了新的宏，若构成了会进一步展开。
• 宏定义中也可以使用...代表可变参数，用__VA_ARGS__获取可变参数列表。
• 宏参数会先展开，之后再进行替换，这也被称为”prescan”.
• 宏基本上是图灵完备的，所以可以只靠宏实现各种东西……

宏的展开过程遵循以下流程图：

这个流程图是我根据自己的理解和实验画出来的，并不确定完全正确……图中的“已展开宏记录”就是文章中说的“蓝色列表”。

使用gcc编译时，可以通过附加-E参数，让gcc只进行预处理，这样就可以看到各种宏实际展开出来的结果是什么了，如gcc -E -o test.i test.c命令对test.c文件进行预处理，生成test.i文件。

关于宏的展开流程，有一些不太明确的地方，此处用例子说明下，结果都经过gcc预处理验证过。

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#define P 2
#define M K(P)
#define K(a) a a ## a a
#define PP 11
#define FOO(a) #a a

FOO(M)	-->  FOO(K(P))
        -->  FOO(2 PP 2)
        -->  FOO(2 11 2)
        -->  "M" 2 11 2

遇到#或##时，其相连的宏参数不会展开，然而这不意味着这个宏参数本身不会展开，其他部分用到这个宏参数的地方还是会展开的。

另外，#运算符后必须是一个宏参数，不能是其他东西，不过##两端则无这一要求，来看个例子：

#define P(a)  #a a
#define PP(a) #a a
#define CAT(a) P ## P(P##a(a))

CAT(P)	-->  PP(PP(P))
        -->  PP("P" P)
        -->  "PP(P)" "P" P

CAT(A)	-->  PP(PA(A))
		-->  "PA(A)" PA(A)

可以看到，##两端可以是任意token，其作用就是把这两个token合成一个。另外，还可以看到，##是在最开始就进行处理的，所以P(a)这个宏是没有用到的。另外，由##操作符组合产生的新宏是会继续展开的，并不像某些文章说的那样会停止展开。

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关于多次扫描展开的问题，有些文章中说的是展开完成后会重新扫描一遍当前字符串，若有可以继续展开的则继续展开，然而实际测试下来并不是这样的。还是来看个例子：

#define BRACKET ()
#define CREATE(a, b)  a ## b
#define FOO() 123

CREATE(F, OO) BRACKET   -->  FOO BRACKET
                        -->  FOO ()

CREATE(F, OO) ()        -->  FOO ()
                        -->  123

FOO BRACKET             -->  FOO ()

可以看到，第1、3个例子中，展开到FOO () 之后就没有继续展开下去了，这说明并没有重新扫描字符串这一步，已经处理过的部分不会再次处理的。而第2个例子则说明的确是会再展开合并出新的宏来的，故上面的流程图中使用了”向后扫描一个token，形成一个新的字符串”这样的说法。考虑到token是以空白为界划分的，后面组合出来的新宏只可能是function-like的宏，所以这样的展开方式是不存在歧义的，不会出现原来的宏被组合成其他宏的情况。

如果要继续展开上面未能展开的那两个宏，可以再封装一层：

#define BRACKET ()
#define CREATE(a, b)  a ## b
#define FOO() 123
#define EXPAND(...) __VA_ARGS__

EXPAND(CREATE(F, OO) BRACKET)	-->  EXPAND(FOO())
                                -->  EXPAND(123)
                                -->  123

这里利用的原理是：宏参数会先尽可能展开后再进行替换。

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将宏定义的各种奇技淫巧应用得巅峰造极、神鬼莫测之作就是The Boost Preprocessing library，这是Boost库的一部分，不过和其他部分完全独立，这部分包含了各种数据结构和算法等，而且只有头文件，全部都是宏定义……简直可谓是丧心病狂……Github上有人将这部分独立的代码提取出来了，有兴趣的读者可以去进一步揣摩瞻仰：boost-preprocessor

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参考资料：
代码自动生成-宏带来的奇技淫巧
《C标准库》—之<assert.h>实现
C preprocessor