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C/C++宏的奇技淫巧

funix
 funix
发布于 2015/02/04 17:57
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http://misakamm.com/blog/209

宏的主要作用就是简化代码编写,简化一些需要重复编码的地方,以得到看起来更优雅的代码。但宏要用得好并不容易,用的不好很容易引发灾难性的后果。本文会介绍宏比较偏门但又很实用的技巧。 首先就是最常用的技巧(http://blog.misakamm.org/p/209): #define MACROCAT( x, y ) MACROCAT1 ( x, y ) #define MACROCAT1( x, y ) x##y #define TOSTRING( s ) #s

MACROCAT把x和y展开后连結,而TOSTRING把s转化为字符串,比如可以printf(TOSTRING(%s), TOSTRING(abcdefg));

然后,因为宏不能递归,但可以做递归模拟,我们可以这样玩。比如要生成n位的二进制数并且从小到大构成的字符串(用到前面的宏): #define BIN_0(arg) TOSTRING ( arg ) #define BIN_1(arg) BIN_0(MACROCAT(arg, 0)) "," BIN_0(MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_2(arg) BIN_1(MACROCAT(arg, 0)) "," BIN_1(MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_3(arg) BIN_2(MACROCAT(arg, 0)) "," BIN_2(MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_4(arg) BIN_3(MACROCAT(arg, 0)) "," BIN_3(MACROCAT(arg, 1))

int main() { puts(BIN_4()); return 0; }

这里要注意的是,比如BIN_2(),实际上展开的结果是 "0" "0" "," "0" "1" "," "1" "0" "," "1" "1"

不过c/c++规定这样连写的字符串,编译时就会合并成一个,于是就能用puts直接完整输出结果了 如果你想得到更多的位,很简单,只要你不介意,上面的宏复制并改改数字就可以了

不过,这样一改要改若干个数字,比较麻烦,能不能让它工作得更好?比如只要改宏名? 这个时候,就要用更富有技巧性的一招了:让每个宏多一个参数n,然后前面的BIN_x使用MACROCAT把它与数字连结起来,不就可以了么? 想法不错,不过问题是宏本身没有做减法的能力,能做的仅仅是替换。减1应该怎么实现呢? 其实不难,见以下定义:

#define DECVAL_1 0 #define DECVAL_2 1 #define DECVAL_3 2 #define DECVAL_4 3 #define DECVAL_5 4 #define DECVAL_6 5 #define DECVAL_7 6 #define DECVAL_8 7 #define DECVAL_9 8 #define DECVAL( n ) DECVAL_##n

好了,有了这个利器,我们就可以对原宏改造了,先拿0号和1号宏开刀: #define BIN_0(n, arg) TOSTRING ( arg ) #define BIN_1(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0))
"," MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))

看得懂替换了一些什么吗?这样,后面的2,3,4,5号,只要复制一下1号的定义,改一改宏名就解决问题了

思考题: 这里生成的二进制结果是带前导0的,如何改写能使生成的结果不带前导0? source: http://blog.misakamm.org/p/209

使用此法可以“递归”式生成很多类似代码,同时这个技巧也非常的实用,但递归构造并不容易,需要编写的人仔细想清楚,否则很容易出错,特别要注意宏展开的时机,一般不直接使用MACROCAT1宏,因为那个很可能不是你想要的结果

之后,到C99标准出台后(也就是说,下文内容与bc3/tc/vc6不兼容),宏里面多了一个狠角色:可变参数个数宏 比如可以 #define PRINTF(…) fprintf(stdout, VA_ARGS) 其中__VA_ARGS__代表了‘…’部分的全部参数,这样可以轻松的重定义库函数里不定参数的函数的输出行为,比如printf重定向到文件(虽然也可以用freopen实现,但只想说明宏也可以这样搞)

好了,下文将区分编译器来介绍,一共分为两派,vc派和gcc派(包括clang/objc),因为两者对以下代码的处理并不一致,需要使用略为不同的宏来实现,目前我也只遇到这两派。 现在的目的是这样,因为__VA_ARGS__包含了若干参数,我怎么才能知道里面参数有多少个呢? 比如写一个宏NUM_PARAMS(),里面写NUM_PARAMS(abc,a,d,e)的话,替换后得到的结果要是4,能办到吗?

广告时间: http://blog.misakamm.org/p/209 广告过后,回来精彩的节目

首先先介绍gcc派的解决方案: #define PP_NARG(...) PP_NARG_(VA_ARGS, PP_RSEQ_N()) #define PP_NARG_(...) PP_ARG_N(VA_ARGS) #define PP_ARG_N(
_1, _2, _3, _4, _5, _6, _7, _8, _9,_10,
_11,_12,_13,_14,_15,_16, N, ...) N #define PP_RSEQ_N()
16,15,14,13,12,11,10,
9,8,7,6,5,4,3,2,1,0

非常漂亮巧妙又简洁的方案,我想不用我多解释了吧? 不过,请注意,这是gcc的方案,以上代码放在vc8/vc9/vc2010等都会得不到正确的结果的,这个和vc的宏处理方式有关

接下来就是给出vc的解决方案(以下均以vc2008和vc2010为准) #define BRACKET_L() ( #define BRACKET_R() )

#define PP_NARG(...)
PP_NARG_ ( VA_ARGS, PP_RSEQ_N() ) #define PP_NARG_(...)
PP_ARG_N BRACKET_L() VA_ARGS BRACKET_R() #define PP_ARG_N(
_1, _2, _3, _4, _5, _6, _7, _8, _9,_10,
_11,_12,_13,_14,_15,_16, N,...) N #define PP_RSEQ_N()
16,15,14,13,12,11,10,
9,8,7,6,5,4,3,2,1,0

这里很特别的一点是对部分小括号做了替换。 问题在于PP_NARG_到PP_ARG_N做参数传递的时候,如果已有显式的括号,那么不对里面的宏做展开计算参数个数,仅直接按显式的逗号个数判断出参数个数,从而导致__VA_ARGS__被当成一个参数传入。而把括号用宏替换掉后,则不出现直接的括号,就先对宏做展开,而展开后,再展开新构造出来的宏,这样才能让参数匹配上。

不过gcc里面不能这么干,gcc会把宏名展开出来后,如果发现后面的符号并不是显式的括号,则把前面的宏符号化,不再展开。这两种不同的特性让我现在还不知道怎么编写宏能让两派都能兼容,正确展开出我想要的东西。

解释了两个编译器的不同点以后,后面不再解释相同的问题,而会同时给出两份代码。

另一个类似的问题,就是既然有不定个数的参数,如果我希望对每个参数都做一些处理,那如何做呢? 举例,实现一个宏#define SPREAD(…),要把参数里的东西连结成一个字符串 之前的例子里,已经实现了把不定参数展开的手段,现在我们来尝试递归下降式展开(gcc版本): #define SPREAD0( arg ) #arg #define SPREAD1(arg, …) SPREAD0(arg) #define SPREAD2(arg, …) SPREAD0(arg) SPREAD1(VA_ARGS,) #define SPREAD3(arg, …) SPREAD0(arg) SPREAD2(VA_ARGS,) #define SPREAD4(arg, …) SPREAD0(arg) SPREAD3(VA_ARGS,) #define SPREAD5(arg, …) SPREAD0(arg) SPREAD4(VA_ARGS,) #define SPREAD6(arg, …) SPREAD0(arg) SPREAD5(VA_ARGS,) #define SPREAD7(arg, …) SPREAD0(arg) SPREAD6(VA_ARGS,) #define SPREAD8(arg, …) SPREAD0(arg) SPREAD7(VA_ARGS,) #define SPREAD9(arg, …) SPREAD0(arg) SPREAD8(VA_ARGS,)

#define SPREAD(…) SPREAD9(VA_ARGS)

在这里,每进入一层,就从__VA_ARGS__拆解一个最前面的参数出来,把剩下的参数给下一层 这里有一个细节是__VA_ARGS__后面有一个逗号,意思就是补一个空参数,避免后面参数不足

然后就可以用puts(SPREAD(1, 2, 3, 4));来测试了

当然,还要使用前文的方式处理一下(gcc版): #define SPREAD0( arg ) #arg #define SPREAD1(n, arg, …) SPREAD0(arg) #define SPREAD2(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), VA_ARGS, ) #define SPREAD3(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), VA_ARGS, ) #define SPREAD4(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), VA_ARGS, ) #define SPREAD5(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), VA_ARGS, ) #define SPREAD6(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), VA_ARGS, ) #define SPREAD7(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), VA_ARGS, ) #define SPREAD8(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), VA_ARGS, ) #define SPREAD9(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), VA_ARGS, )

#define SPREAD(…) SPREAD9 ( 9, VA_ARGS )

vc版: #pragma warning(disable:4003) // 去除警告

#define SPREAD0( arg ) #arg #define SPREAD1(n, arg, …) SPREAD0(arg) #define SPREAD2(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), VA_ARGS, BRACKET_R() #define SPREAD3(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), VA_ARGS, BRACKET_R() #define SPREAD4(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), VA_ARGS, BRACKET_R() #define SPREAD5(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), VA_ARGS, BRACKET_R() #define SPREAD6(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), VA_ARGS, BRACKET_R() #define SPREAD7(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), VA_ARGS, BRACKET_R() #define SPREAD8(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), VA_ARGS, BRACKET_R() #define SPREAD9(n, arg, …) SPREAD0(arg) MACROCAT(SPREAD, DECVAL(n)) BRACKET_L() DECVAL(n), VA_ARGS, BRACKET_R()

#define SPREAD(…) SPREAD9 BRACKET_L() 9, VA_ARGS, BRACKET_R()

以上只是模糊方式展开,因为参数个数不知道,后面会遇到宏参数为空的情况,于是vc编译器给出了警告 如果把之前说的过技巧,就是分析出不定参数个数的宏,与这个结合,将产生更大的威力,我们可以实现精确展开,就是在SPREAD宏的定义里,有9的地方使用宏PP_NARG(VA_ARGS)替换一下,于是__VA_ARGS__后面的逗号可以去掉,也可以简化一些代码了,也能避免展开后有你所不希望的多余字符出现。

测试考题1: 定义一宏#define printf,让它能把printf(str, a, b, c);替换成std::cout<<a<<b<<c<<std::endl; 参数个数不确定,不用考虑str的内容,但假设不多于10个参数 http://blog.misakamm.org/p/209

宏的威力还不止至此,当宏与C++模板编程结合的时候,真正的可怕就来临了。。。

测试考题2: 在C++0x之前,模板还没有不定参数,于是需要多个参数的时候,不得不手工解决,或者聪明的人,使用模板来生成多参模板代码。尝试一下这么做,看看和之前的问题难度加大在哪里。比如生成一个名为sum的模板函数,能接受1 – 10个参数,返回这些参数的相加的结果

文章附带: 第一考题参考答案: #define BINARY_E0(n, arg) TOSTRING ( arg ) #define BINARY_E1(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) ) #define BINARY_E2(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) ) #define BINARY_E3(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) ) #define BINARY_E4(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) ) #define BINARY_E5(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) ) #define BINARY_E6(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) ) #define BINARY_E7(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) ) #define BINARY_E8(n, arg) MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 0) )
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) ( DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1) ) #define BINARY_ENUM(n) MACROCAT(BINARY_E, n) ( n, )

#define BIN_0(n, arg) TOSTRING ( arg ) #define BIN_1(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg)
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_2(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg)
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_3(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg)
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_4(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg)
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_5(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg)
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_6(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg)
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_7(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg)
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1)) #define BIN_8(n, arg) MACROCAT(BIN_, DECVAL(n)) (DECVAL(n), arg)
"," MACROCAT(BINARY_E, DECVAL(n)) (DECVAL(n), MACROCAT(arg, 1))

#define BIN_ENUM(n) "0" MACROCAT(BIN_, n) ( n, )

测试代码:puts(BIN_ENUM(8));

测试考题不提供答案。

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