什么是宏?C++宏定义

一、#define的基本用法
    #define是C语言中提供的宏定义命令,其主要目的是为程序员在编程时提供一定的方便,并能在一定程度上提高程序的运行效率,但学生在学习时往往不能 理解该命令的本质,总是在此处产生一些困惑,在编程时误用该命令,使得程序的运行与预期的目的不一致,或者在读别人写的程序时,把运行结果理解错误,这对 C语言的学习很不利。

1 #define命令剖析

1.1   #define的概念

    #define命令是C语言中的一个宏定义命令,它用来将一个标识符定义为一个字符串,该标识符被称为宏名,被定义的字符串称为替换文本。
该命令有两种格式:一种是简单的宏定义,另一种是带参数的宏定义。

(1)简单的宏定义:
1. #define <宏名>  <字符串>
2. 例: #define PI 3.1415926
(2) 带参数的宏定义
 
1. #define <宏名> (<参数表>) <宏体>
2. 例: #define A(x) x
    一个标识符被宏定义后,该标识符便是一个宏名。这时,在程序中出现的是宏名,在该程序被编译前,先将宏名用被定义的字符串替换,这称为宏替换,替换后才进行编译,宏替换是简单的替换。

1.2 宏替换发生的时机

    为了能够真正理解#define的作用,让我们来了解一下对C语言源程序的处理过程。当我们在一个集成的开发环境如Turbo C中将编写好的源程序进行编译时,实际经过了预处理、编译、汇编和连接几个过程。其中预处理器产生编译器的输出,它实现以下的功能:
(1)文件包含
    可以把源程序中的#include 扩展为文件正文,即把包含的.h文件找到并展开到#include 所在处。
(2)条件编译
    预处理器根据#if和#ifdef等编译命令及其后的条件,将源程序中的某部分包含进来或排除在外,通常把排除在外的语句转换成空行。
(3)宏展开
    预处理器将源程序文件中出现的对宏的引用展开成相应的宏 定义,即本文所说的#define的功能,由预处理器来完成。
    经过预处理器处理的源程序与之前的源程序有所有不同,在这个阶段所进行的工作只是纯粹的替换与展开,没有任何计算功能,所以在学习#define命令时只要能真正理解这一点,这样才不会对此命令引起误解并误用。

2 #define使用中的常见问题解析

2.1 简单宏定义使用中出现的问题

    在简单宏定义的使用中,当替换文本所表示的字符串为一个表达式时,容易引起误解和误用。如下例:
    

//例1 #define N 2+2
 void main()
 {
    int a=N*N;
    printf(“%d”,a);
 }

    (1) 出现问题:
 
    在此程序中存在着宏定义命令,宏N代表的字符串是2+2,在程序中有对宏N的使用,一般同学在读该程序时,容易产生的问题是先求解N为2+2=4,然后在程序中计算a时使用乘法,即N*N=4*4=16,其实该题的结果为8,为什么结果有这么大的偏差?


    (2) 问题解析:
 
    如1节所述,宏展开是在预处理阶段完成的,这个阶段把替换文本只是看作一个字符串,并不会有任何的计算发生,在展开时是在宏N出现的地方 只是简单地使用串2+2来代替N,并不会增添任何的符号,所以对该程序展开后的结果是a=2+2*2+2,计算后=8,这就是宏替换的实质,如何写程序才能完成结果为16的运算呢?

    (3)解决办法:
 

 /*将宏定义写成如下形式*/
 #define N (2+2)
 /*这样就可替换成(2+2)*(2+2)=16*/


2.2 带参数的宏定义出现的问题

    在带参数的宏定义的使用中,极易引起误解。例如我们需要做个宏替换能求任何数的平方,这就需要使用参数,以便在程序中用实际参数来替换宏定义中的参数。一般学生容易写成如下形式:

 #define area(x) x*x
 /*这在使用中是很容易出现问题的,看如下的程序*/
 
 void main()
 {
     int y = area(2+2);
     printf(“%d”,y);
 }


    按理说给的参数是2+2,所得的结果应该为4*4=16,但是错了,因为该程序的实际结果为8,仍然是没能遵循纯粹的简单替换的规则,又是先计算再替换 了,在这道程序里,2+2即为area宏中的参数,应该由它来替换宏定义中的x,即替换成2+2*2+2=8了。那如果遵循(1)中的解决办法,把2+2 括起来,即把宏体中的x括起来,是否可以呢?#define area(x) (x)*(x),对于area(2+2),替换为(2+2)*(2+2)=16,可以解决,但是对于area(2+2)/area(2+2)又会怎么样呢,有的学生一看到这道题马上给出结果,因为分子分母一样,又错了,还是忘了遵循先替换再计算的规则了,这道题替换后会变为 (2+2)*(2+2)/(2+2)*(2+2)即4*4/4*4按照乘除运算规则,结果为16/4*4=4*4=16,那应该怎么呢?解决方法是在整个宏体上再加一个括号,即#define   area(x) ((x)*(x)),不要觉得这没必要,没有它,是不行的。
    要想能够真正使用好宏定义,那么在读别人的程序时,一定要记住先将程序中对宏的使用全部替换成它所代表的字符串,不要自作主张地添加任何其他符号,完全展开后再进行相应的计算,就不会写错运行结果。
    如果是自己编程使用宏替换,则在使用简单宏定义时,当字符串中不只一个符号时,加上括号表现出优先级,如果是带参数的宏定义,则要给宏体中的每个参数加上括号,并在整个宏体上再加一个括号。看到这里,不禁要问,用宏定义这么麻烦,这么容易出错,可不可以摒弃它, 那让我们来看一下在C语言中用宏定义的好处吧。
如:
#include <iostream.h>
#define product(x)    x*x
int main()
{
    int i=3;
    int j,k;
    j = product(i++);
    cout<<"j="<<j<<endl;
    cout<<"i="<<i<<endl;
    k = product(++i);
    cout<<"k="<<k<<endl;
    cout<<"i="<<i<<endl;
    return 0;
}
//依次输出结果:
//j=9;i=5;k=49;i=7



3 宏定义的优点

(1)   方便程序的修改

    使用简单宏定义可用宏代替一个在程序中经常使用的常量,这样在将该常量改变时,不用对整个程序进行修改,只修改宏定义的字符串即可,而且当常量比较长时, 我们可以用较短的有意义的标识符来写程序,这样更方便一些。我们所说的常量改变不是在程序运行期间改变,而是在编程期间的修改,举一个大家比较熟悉的例子,圆周率π是在数学上常用的一个值,有时我们会用3.14来表示,有时也会用3.1415926等,这要看计算所需要的精度,如果我们编制的一个程序中 要多次使用它,那么需要确定一个数值,在本次运行中不改变,但也许后来发现程序所表现的精度有变化,需要改变它的值, 这就需要修改程序中所有的相关数值,这会给我们带来一定的不便,但如果使用宏定义,使用一个标识符来代替,则在修改时只修改宏定义即可,还可以减少输入 3.1415926这样长的数值多次的情况,我们可以如此定义 #define   pi   3.1415926,既减少了输入又便于修改,何乐而不为呢?

(2) 提高程序的运行效率

    使用带参数的宏定义可完成函数调用的功能,又能减少系统开销,提高运行效率。正如C语言中所讲,函数的使用可以使程序更加模块化,便于组织,而且可重复利用,但在发生函数调用时,需要保留调用函数的现场,以便子 函数执行结束后能返回继续执行,同样在子函数执行完后要恢复调用函数的现场,这都需要一定的时间,如果子函数执行的操作比较多,这种转换时间开销可以忽 略,但如果子函数完成的功能比较少,甚至于只完成一点操作,如一个乘法语句的操作,则这部分转换开销就相对较大了,但使用带参数的宏定义就不会出现这个问 题,因为它是在预处理阶段即进行了宏展开,在执行时不需要转换,即在当地执行。宏定义可完成简单的操作,但复杂的操作还是要由函数调用来完成,而且宏定义所占用的目标代码空间相对较大。所以在使用时要依据具体情况来决定是否使用宏定义。