[C++知识库]使用经验 56 使用#define定义字面值和伪函数

#define是C语言提供的宏定义命令，其主要目的：在编程时，为程序员提供一定方便，并能在一定程度上提高程序的执行效率。#define将一个标示符定义为一个字符串，该标示符被称为宏，被定义的字符串称为替换文本。宏定义一般有两种形式：一种是简单宏定义（即字面值），另一种是带参数宏定义（即常说的伪函数）。

简单的宏定义定义形式为：

#define <宏名>  <字符串>

例如：

#define PI  3.1415926

说明：

• 一般，宏名用大写字母表示，但这并非规定，也可用小写。从编码一致性、可读性角度考虑，强烈建议宏名统一采用大写字母表示。
• 使用宏名代替一个字符串，可以减少程序中重复书写某些字符串的工作量，同时也避免了由于疏忽导致的字符串书写错误问题。
• 宏定义是用宏名代替一个字符串，也就是做简单的置换，并不做正确性检查。如写成 ：
  #define PI 3.l4l5926（把1错写成了l），在预编译时，不会做任何语法检查；在编译宏展开后的源程序时，才会发现语法错误并报告。
• 宏定义不是C语句，不必在行尾加分号，如果加了分号，将连同分号一起被替换。例如：
  #define PI 3.1415926；
  area = PI * r * r;
  宏展开后该语句：area = 3.1415926；* r * r;
• 在程序中，如果#define出现函数外面，宏的有效范围为宏定义之后到本源文件结束，通常宏定义写在文件开头，在此文件范围内有效。另外，用#undef可终止宏定义的作用域，这样可以灵活控制宏定义的作用范围。
• 在进行宏定义时，可以用已经定义的宏名，可层层置换，但对于用引号括起来的字符串内的字符，即使与宏名相同，也不进行替换。
• 宏定义是专门用于预处理的专用名词，它与定义变量的含义不同，只做字符替换，不分配内存空间。

在C语言中，通过简单的宏定义恒值常量，是C语言中定义恒值常量的唯一手段。但是在C++中这不在是唯一了，C++的const也可定义一个恒值常量。例如：

const int PI  = 3.1415926;

const定义的恒值常量比#define定义的恒值常量存在很多优点，两者的区别如下：

（1）const定义常量是有数据类型，而#define定义的常量无数据类型

通过const定义的常量，编译器可对其进行静态类型安全检查，而#define宏定义的常量只是简单的字符替换，没有类型安全检查，且有时还会产生边际效应。所谓边际效应，举例如下：

#define N 100
#define M 200 + N

当程序中使用 M*N 时，你期望的结果是：100 * (200+ N)，而实际结果是：100 * 200 + N。而const常量就没有这些问题。

（2）有些调试程序可对const进行调试，但不无法对#define进行调试。

（3）当定义局部变量时，const作用域仅限于定义局部变量的函数体内。但#define其作用域不限于定义局部变量的函数体，而是从定义点到整个程序的结束点。但可用#undef取消其定义，从而限定其作用域范围。

（4）const定义常量，并不能起到其强大的作用。const还可修饰函数形式参数、返回值和类的成员函数等。从而提高函数的健壮性。因为const修饰的东西必须受c/c++的静态类型安全检查机制的强制保护，可防止意外的修改。

带参数的宏定义定义形式为：

#define <宏名>（<参数表>） <宏体>

例如：

#define MAX(x,y)  (x)>(y)?(x)：(y)

标示符被定义为宏后，该标示符便是一个宏名。在程序中，出现宏名的地方，在程序被编译前，先将宏名用被定义的字符串替换，这被称为宏替换。替换后才进行编译，宏替换是简单字符替换。

说明：

• 带参数宏展开，只是将语句中宏名后面括号内的实参字符串，替换#define宏定义中的形式参数。
• 宏定义时，宏名与包含宏参数的括号之间不应加空格，否则编译器会将空格后的字符都作为替换字符串的一部分。

例如：

#define S (r) PI*r*r  // (在S与（之间有空格)

这个宏真正的含义：S是符号常量（不带参数的宏名），它代表字符串“( r ) PI*r*r”。在程序中，语句：area = S(a);，将会被展开为：area = ( r ) PI*r*r(a);。这显然不对。

明白了带参数的宏定义，也许你会有这个感觉：带参数的宏，有点儿像函数，的确事实也是如此，带参数的宏和函数确实有很多的相同点和不同点。具体带参数的宏和函数有下述区别。

• 函数调用时，先求实参表达式的值，然后传递给形参，而使用带参数的宏只是进行简单的字符串替换，不进行表达式求值。
• 函数调用是在程序运行时处理的，为形参分配临时的内存空间，而宏展开是在编译前进行的，在展开时并不分配内存单元，不进行值的传递，同样也没有“返回值”的概念。
• 函数的实参和形参都必须定义类型，二者的类型要求一致，如不一致，则要进行类型转换，而宏不存在类型问题，因为宏名无类型，它的参数也无类型，仅是字符串替换，展开时代入指定的字符串即可。宏定义时，字符串可是任何类型的数据。
• 调用函数只会得获得一个返回值，而宏则不然，可设法得到几个返回值。
• 宏展开会促使源程序变长，因为每次展开都使程序增长，而函数调用不会增加代码长度。
• 宏替换不占用运行时间，只占编译时间，而函数调用则占用运行时间用于分配单元、保存现场、值传递、返回等。所以宏替换可以提供程序的执行效率，但代价是编译时间会变长。

讨论了宏的两种定义形式，我们继续分享宏的引入给程序带来好处，以及宏定义和命名空间的关系。

（1）宏定义的引入可方便程序的修改。使用简单宏定义，可用宏替换那些在程序中经常使用的常量，当需要修改该常量时，不用对整个程序进行修改，只修改宏定义的字符串即可奏效，而且当常量比较长时， 我们可以用较短、有意义的标识符来编写程序，这样更方便一些。

此处所说的常量改变，不是指在程序运行期间改变，而是在编程期间的改变，举一个大家熟悉的例 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，如果我们编制的程序多次使用它，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，我们如此定义#define PI 3.1415926，既减少输入，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，在执行时不需要替换。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决定是否使用宏定义。

（3）#define预处理器完全没把C++的作用域纳入考量，绝大多数C++实现都是封装在命名空间里，这样的做法有很多优点。但不幸的是，#define的作用域并未被限定在名字空间中，例如：

namespace Influential
{
	#define MAX 1<<16
	// Infuential命名空间实现
}
namespace Facility
{
	const int max = 512;
	// Facility 命名空间实现
}

int a[MAX]; // 可以通过编译，但这种实现是糟糕的。

讨论一下，上述代码为什么是糟糕的实现？按照命名空间的原理，定义在Infuential空间中的MAX不能在空间之外使用。但由于MAX是宏定义，不受名字空间的限制。

最后，需要提醒的是，宏不仅可定义字面值和伪函数。另一个重要的用法是条件编译。在大规模的开发过程中，特别是跨平台和系统的软件里。可以在编译的时候，通过#define设置编译环境。例如：

#ifdef WINDOWS
	......
	......
#endif

#ifdef LINUX
	......
	......
#endif

请谨记

• 宏可以定义字面值常量，也可以定义带参数的伪函数。在宏定义时需注意其与函数的区别。宏定义不是C++的语句。在编译时使用宏的地方会发生字符串替换。
• 在应用时，如果你定义一个字面值常量建议使用const替换#define。
• 宏定义不受名字空间的限制。在名字空间外依然可见。