深入理解include预编译原理

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     你了解 #include 某个 .h 文件后，编译器做了哪些操作么？ 你清楚为什么在 .h文件中定义函数实现的话需要在函数前面加上 static 修饰么？你知道 #ifndef……#define……#endif 这种防止头文件重复包含的精髓所在么？本文就是来探讨这些问题，并给出我的理解和思考，欢迎大家留言交流。

1.  #include 命令的作用

1.1  什么情况不使用 include

//a.c文件

void test_a()
{
    return;
}


//b.c文件

void test_a();  // 函数声明

void test_b()
{
    test_a();    // 由于上面已经声明了，所以可以使用
}

其实，这样的工程，可以不用使用 include 预编译命令。

1.2  什么情况使用 include

如果工程里面的函数特别多，那么按照上面的做法，则必须在每一个 .c 文件的开头列出所有本文件调用过的函数的声明，这样很不高效，而且一旦某个函数的形式发生变化，又得一个一个改 .c 开头的函数声明。 
因此，#include 预编译命令诞生。

//a.c文件

void test_a()
{
     return;
}

//a.h文件

void test_a();

//b.c文件

#include "a.h"    // 包含含有 test_a() 函数声明的头文件

void test_b()
{
    test_a();
}

1.3  #include 起到什么效果

上述代码在编译器进行预编译的时候，遇到 #include "a.h" ，则会把整个 a.h 文件都copy到 b.c 的开头,就是复制，因此，在实际编译 b.c 之前，b.c 已经被修改为了如下形式：

//b.c 预编译后的临时文件

void test_a();

void test_b()
{
    test_a();
}

由此可见，得到的效果和手动加 test_a() 函数声明时的效果相同。

#tips# 在Linux下，可以使用 gcc -E b.c 来查看预编译 b.c 后的效果。

2. static 关键词的使用

2.1  什么叫函数重复定义

我们经常会遇到报错，说变量或者函数重复定义。那么，在此，首先我举例说明一下什么叫函数的重复定义。

//a.c文件

void test()
{
    return;
}

//b.c文件

void test()
{
    return;
}

那么，在编译的时候是不会报错的，但是，在链接的时候，会出现报错：

multiple definition of `test'，因为在同一个工程里面出现了两个test函数的定义。

2.2  在.h里面写函数实现

如果在 .h 里面写了函数实现，会出现什么情况？

//a.h文件

void test_a()
{
   return;
}

//b.c文件

#include "a.h"

void test_b()
{
    test_a();
}

预编译后，会发现，b.c 被修改为如下形式：

//b.c 预编译后的临时文件

void test_a()
{
   return;
}

void test_b()
{
    test_a();
}

当然，这样目前是没有什么问题的，可以正常编译链接成功。但是，如果有一个 c.c 也包含的 a.h 的话，怎么办？

//c.c文件

#include "a.h"

void test_c()
{
    test_a();
}

同上，c.c 在预编译后，也形成了如下代码：

// c.c 预编译后的临时文件

void test_a()
{
    return;
}

void test_c()
{
    test_a();
}

那么，在链接器进行链接（link）的时候，会报错：

 multiple definition of `test_a'

因此，在 .h 里面写函数实现的弊端就暴露出来了。但是，经常会有这样的需求，将一个函数设置为 内联（inline） 函数，并且放在 .h 文件里面，那么，怎样才能防止出现上述 重复定义的报错呢？

2.3  static 关键词

应对上面的情况，static关键词很好地解决了这个问题。

用static修饰函数，则表明该函数只能在本文件中使用，因此，当不同的文件中有相同的函数名被static修饰时，不会产生重复定义的报错。例如：

//a.c文件

static void test()
{
    return;
}

void test_a()
{
    test();
}

//b.c文件

static void test()
{
    return;
}

void test_b()
{
    test();
}

编译工程时不会报错，但是test()函数只能被 a.c 和 b.c 中的函数调用，不能被 c.c 等其他文件中的函数调用。

那么，用static修饰 .h 文件中定义的函数，会有什么效果呢？

//a.h文件

static void test()
{
    return;
}

//b.c文件

#include "a.h"

void test_b()
{
    test();
}

//c.c文件

#include "a.h"

void test_c()
{
    test();
}

这样的话，在预编译后，b.c 和 c.c 文件中，由于 #include "a.h" ，故在这两个文件开头都会定义 static void test() 函数，因此，test_b() 和 test_c() 均调用的是自己文件中的 static void test() 函数 ， 因此不会产生重复定义的报错。

因此，结论，在 .h 文件中定义函数的话，建议一定要加上 static 关键词修饰，这样，在被多个文件包含时，才不会产生重复定义的错误。

3.  防止头文件重复包含

经常写程序的人都知道，我们在写 .h 文件的时候，一般都会加上

#ifndef    XXX
#define   XXX
……
#endif

这样做的目的是为了防止头文件的重复包含，具体是什么意思呢？

它不是为了防止多个文件包含某一个头文件，而是为了防止一个头文件被同一个文件包含多次。具体说明如下：

//a.h文件

static void test_a()
{
    return;
}

//b.c文件

#include "a.h"

void test_b()
{
    test_a();
}

//c.c

#include "a.h"

void test_c()
{
    test_a();
}

这样是没有问题的，但下面这种情况就会有问题。

//a.h文件

static void test_a()
{
    return;
}

//b.h文件

#include "a.h"

//c.h文件

#include "a.h"

//main.c文件

#include "b.h"
#include "c.h"

void main()
{
    test_a();
}

这样就“不小心”产生问题了，因为 b.h 和 c.h 都包含了 a.h，那么，在预编译main.c 文件的时候，会展开为如下形式：

//main.c 预编译之后的临时文件

static void test_a()
{
    return;
}

static void test_a()
{
    return;
}

void main()
{
    test_a();
}

在同一个 .c 里面，出现了两次 test_a() 的定义，因此，会出现重复定义的报错。

但是，如果在 a.h 里面加上了 #ifndef……#define……#endif 的话，就不会出现这个问题了。

例如，上面的 a.h 改为：

//a.h 文件

#ifndef  A_H
#define A_H

static void test_a()
{
    return;
}

#endif

预编译展开main.c则会出现：

//main.c 预编译后的临时文件

#ifndef A_H
#define A_H

static void test_a()
{
    return;
}

#endif

#ifndef A_H
#define A_H

static void test_a()
{
    return;
}

#endif

void main()
{
    test_a();
}

在编译main.c时，当遇到第二个 #ifndef  A_H ，由于前面已经定义过 A_H，故此段代码被跳过不编译，因此，不会产生重复定义的报错。这就是  #ifndef……#define……#endif 的精髓所在。

本文出自 “对影成三人” 博客，请务必保留此出处http://ticktick.blog.51cto.com/823160/596179

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因为对于一个大程序而言,我们可能要定义很多常量( 不管是放在源文件还是头文件 ),那么我们有时考虑定义某个常量时,我们就必须返回检查原来此常量是否定义,但这样做很麻烦.if defined宏正是为这种情况提供了解决方案.举个例子,如下: 
#define .... 
#define .... 
    .... 
    .... 
#define a 100 
    .... 
此时，我们要检查a是否定义（假设我们已经记不着这点了）,或者我们要给a一个不同的值，就加入如下句子 
#if defined a 
#undef a 
#define a 200 
#endif 
上述语句检验a是否被定义，如果被定义，则用#undef语句解除定义，并重新定义a为200 

同样，检验a是否定义： 
#ifndef a    //如果a没有被定义 
#define a 100 
#endif 

以上所用的宏中：#undef为解除定义，#ifndef是if not defined的缩写，即如果没有定义。 

这就是#if defined 的唯一作用！

1） 
#if defined XXX_XXX 
#endif 
是条件编译，是根据你是否定义了XXX_XXX这个宏，而使用不同的代码。 

一般.h文件里最外层的 
#if !defined XXX_XXX 
#define XXX_XXX 
#endif 
是为了防止这个.h头文件被重复include。 

2） 
#error XXXX 
是用来产生编译时错误信息XXXX的，一般用在预处理过程中； 
例子： 
#if !defined(__cplusplus) 
#error C++ compiler required. 
#endif 

 

 

有一道经典的C语言问题，关于宏定义中#和##符号的使用和宏定义展开问题
 
程序如下：

#include <stdio.h>
#define f(a,b) a##b
#define g(a)  #a
#define h(a) g(a)
 
int main()
{
        printf("%s ", h(f(1,2)));
        printf("%s ", g(f(1,2)));
        return 0;
}

答案：第一行：12  第二行：f(1,2)

说明：

1、关于符号#和##

两个符号都只能用于预处理宏扩展。不能在普通的源码中使用它们，只能在宏定义中使用。

简单的说，#是把宏参数变为一个字符串，##是把两个宏参数连接在一起。

关于这两个符号的具体意义和用法可以参见两篇文章：

#和##在宏替换中的作用 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-06/102921.htm

C/C++ 宏中"#"和"##"的用法 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-06/102924.htm

还有GCC帮助文档上的解释：

3.4 Stringification

3.5 Concatenation

2、关于宏展开

预处理过程的几个步骤：

1）字符集转换（如三联字符）

2）断行链接/

3）注释处理，/* comment */，被替换成空格

4）执行预处理命令，如#inlcude、#define、#pragma、#error等

5）转义字符替换

6）相邻字符串拼接

7）将预处理记号替换为词法记号

第4）步即如何展开宏函数的规则：在展开当前宏函数时，如果形参有#或##则不进行宏参数的展开，否则先展开宏参数，再展开当前宏。

宏替换顺序英文描述如下：

A parameter in the replacement list, unless preceded by a # or ## preprocessing token or followed by a ## preprocessing token, is replaced by the corresponding argument after all macros contained therein have been expanded.

3、总结

综合以上，对于这道题来说，第一行h(f(1,2))，由于h(a)非#或者##所以先展开其参数f(1,2)，即12，所以变成h(12)，然后再宏替换为g(12)，再次替换为12。

第二行g(f(1,2))，宏g(a)带有#，所以里面的f(1,2)不展开，所以变成f(1,2)

类似的这种问题在《你必须知道的495个C语言问题》中出现过，在121页的“预处理功能”的问题11.19，有兴趣的朋友可以看一看。