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C/C++宏的奇技淫巧

來源：http://blog.misakamm.org/p/209
宏的主要作用就是簡化代碼編寫，簡化一些需要重復編碼的地方，以得到看起來更優雅的代碼。但宏要用得好并不容易，用的不好很容易引發災難性的后果。本文會介紹宏比較偏門但又很實用的技巧。
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展開后連結，而TOSTRING把s轉化為字符串，比如可以printf(TOSTRING(%s), TOSTRING(abcdefg));
然后，因為宏不能遞歸，但可以做遞歸模擬，我們可以這樣玩。比如要生成n位的二進制數并且從小到大構成的字符串（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;
}

這里要注意的是，比如BIN_2()，實際上展開的結果是

"0" "0" "," "0" "1" "," "1" "0" "," "1" "1"

不過c/c++規定這樣連寫的字符串，編譯時就會合并成一個，于是就能用puts直接完整輸出結果了
如果你想得到更多的位，很簡單，只要你不介意，上面的宏復制并改改數字就可以了
不過，這樣一改要改若干個數字，比較麻煩，能不能讓它工作得更好？比如只要改宏名？
這個時候，就要用更富有技巧性的一招了：讓每個宏多一個參數n，然后前面的BIN_x使用MACROCAT把它與數字連結起來，不就可以了么？
想法不錯，不過問題是宏本身沒有做減法的能力，能做的僅僅是替換。減1應該怎么實現呢？
其實不難，見以下定義：
#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，有了這個利器，我們就可以對原宏改造了，先拿0號和1號宏開刀：

#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))

看得懂替換了一些什么嗎？這樣，后面的2,3,4,5號，只要復制一下1號的定義，改一改宏名就解決問題了
思考題：
這里生成的二進制結果是帶前導0的，如何改寫能使生成的結果不帶前導0？
source: http://blog.misakamm.org/p/209

使用此法可以“遞歸”式生成很多類似代碼，同時這個技巧也非常的實用，但遞歸構造并不容易，需要編寫的人仔細想清楚，否則很容易出錯，特別要注意宏展開的時機，一般不直接使用MACROCAT1宏，因為那個很可能不是你想要的結果
之后，到C99標準出臺后（也就是說，下文內容與bc3/tc/vc6不兼容），宏里面多了一個狠角色：可變參數個數宏
比如可以 #define PRINTF(...) fprintf(stdout, __VA_ARGS__)
其中__VA_ARGS__代表了‘...’部分的全部參數，這樣可以輕松的重定義庫函數里不定參數的函數的輸出行為，比如printf重定向到文件（雖然也可以用freopen實現，但只想說明宏也可以這樣搞）
好了，下文將區分編譯器來介紹，一共分為兩派，vc派和gcc派（包括clang/objc），因為兩者對以下代碼的處理并不一致，需要使用略為不同的宏來實現，目前我也只遇到這兩派。
現在的目的是這樣，因為__VA_ARGS__包含了若干參數，我怎么才能知道里面參數有多少個呢？
比如寫一個宏NUM_PARAMS()，里面寫NUM_PARAMS(abc,a,d,e)的話，替換后得到的結果要是4，能辦到嗎？

廣告時間：
http://blog.misakamm.org/p/209
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首先先介紹gcc派的解決方案：

#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

非常漂亮巧妙又簡潔的方案，我想不用我多解釋了吧？
不過，請注意，這是gcc的方案，以上代碼放在vc8/vc9/vc2010等都會得不到正確的結果的，這個和vc的宏處理方式有關
接下來就是給出vc的解決方案（以下均以vc2008和vc2010為準）

#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

這里很特別的一點是對部分小括號做了替換。
問題在于PP_NARG_到PP_ARG_N做參數傳遞的時候，如果已有顯式的括號，那么不對里面的宏做展開計算參數個數，僅直接按顯式的逗號個數判斷出參數個數，從而導致__VA_ARGS__被當成一個參數傳入。而把括號用宏替換掉后，則不出現直接的括號，就先對宏做展開，而展開后，再展開新構造出來的宏，這樣才能讓參數匹配上。
不過gcc里面不能這么干，gcc會把宏名展開出來后，如果發現后面的符號并不是顯式的括號，則把前面的宏符號化，不再展開。這兩種不同的特性讓我現在還不知道怎么編寫宏能讓兩派都能兼容，正確展開出我想要的東西。
解釋了兩個編譯器的不同點以后，后面不再解釋相同的問題，而會同時給出兩份代碼。
另一個類似的問題，就是既然有不定個數的參數，如果我希望對每個參數都做一些處理，那如何做呢？
舉例，實現一個宏#define SPREAD(...)，要把參數里的東西連結成一個字符串
之前的例子里，已經實現了把不定參數展開的手段，現在我們來嘗試遞歸下降式展開（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__)
在這里，每進入一層，就從__VA_ARGS__拆解一個最前面的參數出來，把剩下的參數給下一層
這里有一個細節是__VA_ARGS__后面有一個逗號，意思就是補一個空參數，避免后面參數不足
然后就可以用puts(SPREAD(1, 2, 3, 4));來測試了
當然，還要使用前文的方式處理一下（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開，因為參數個數不知道，后面會遇到宏參數為空的情況，于是vc編譯器給出了警告
如果把之前說的過技巧，就是分析出不定參數個數的宏，與這個結合，將產生更大的威力，我們可以實現精確展開，就是在SPREAD宏的定義里，有9的地方使用宏PP_NARG(__VA_ARGS__)替換一下，于是__VA_ARGS__后面的逗號可以去掉，也可以簡化一些代碼了，也能避免展開后有你所不希望的多余字符出現。
測試考題1：
定義一宏#define printf，讓它能把printf(str, a, b, c);替換成std::cout<<a<<b<<c<<std::endl;
參數個數不確定，不用考慮str的內容，但假設不多于10個參數
http://blog.misakamm.org/p/209
宏的威力還不止至此，當宏與C++模板編程結合的時候，真正的可怕就來臨了。。。
測試考題2：
在C++0x之前，模板還沒有不定參數，于是需要多個參數的時候，不得不手工解決，或者聰明的人，使用模板來生成多參模板代碼。嘗試一下這么做，看看和之前的問題難度加大在哪里。比如生成一個名為sum的模板函數，能接受1 - 10個參數，返回這些參數的相加的結果

文章附帶：
第一考題參考答案：

#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, )
測試代碼：puts(BIN_ENUM(8));
測試考題不提供答案。

posted on 2012-01-16 16:22 御坂美琴閱讀(7206) 評論(0) 編輯收藏引用

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