C语言学习_预处理命令_c语言预处理命令

1. C语言预处理命令

1.1什么是预处理命令

• 前面各章中，已经多次使用过#include命令。使用库函数之前，应该用#include引入对应的头文件。这种以#号开头的命令称为预处理命令。

• C语言源文件要经过编译、链接才能生成可执行程序：

·1)编译（Compile）会将源文件（.c文件）转换为目标文件。对于 VC/VS，目标文件后缀为.obj；对于GCC，目标文件后缀为.o`。

编译是针对单个源文件的，一次编译操作只能编译一个源文件，如果程序中有多个源文件，就需要多次编译操作。
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`2) 链接（Link）是针对多个文件的，它会将编译生成的多个目标文件以及系统中的库、组件等合并成一个可执行程序。

• 在实际开发中，有时候在编译之前还需要对源文件进行简单的处理。例如，我们希望自己的程序在 Windows 和 Linux 下都能够运行，那么就要在 Windows 下使用 VS 编译一遍，然后在 Linux 下使用 GCC 编译一遍。但是现在有个问题，程序中要实现的某个功能在 VS 和 GCC 下使用的函数不同（假设 VS 下使用 a()，GCC 下使用 b()），VS 下的函数在 GCC 下不能编译通过，GCC 下的函数在 VS 下也不能编译通过，怎么办呢？

• 这就需要在编译之前先对源文件进行处理：如果检测到是 VS，就保留 a() 删除 b()；如果检测到是 GCC，就保留 b() 删除 a()。

• 这些在编译之前对源文件进行简单加工的过程，就称为预处理（即预先处理、提前处理）。

• 预处理主要是处理以#开头的命令，例如#include <stdio.h>等。预处理命令要放在所有函数之外，而且一般都放在源文件的前面。

• 预处理是C语言的一个重要功能，由预处理程序完成。当对一个源文件进行编译时，系统将自动调用预处理程序对源程序中的预处理部分作处理，处理完毕自动进入对源程序的编译。

• 编译器会将预处理的结果保存到和源文件同名的.i文件中，例如 main.c 的预处理结果在 main.i 中。和.c一样，.i也是文本文件，可以用编辑器打开直接查看内容。

• C语言提供了多种预处理功能，如宏定义、文件包含、条件编译等，合理地使用它们会使编写的程序便于阅读、修改、移植和调试，也有利于模块化程序设计。

• 实例

• 下面我们举个例子来说明预处理命令的实际用途。假如现在要开发一个C语言程序，让它暂停 5 秒以后再输出内容，并且要求跨平台，在 Windows 和 Linux 下都能运行，怎么办呢？

• 这个程序的难点在于，不同平台下的暂停函数和头文件都不一样：

• Windows 平台下的暂停函数的原型是void Sleep(DWORD dwMilliseconds)（注意 S 是大写的），参数的单位是“毫秒”，位于 <windows.h> 头文件。

• Linux 平台下暂停函数的原型是unsigned int sleep (unsigned int seconds)，参数的单位是“秒”，位于 <unistd.h> 头文件。

• 不同的平台下必须调用不同的函数，并引入不同的头文件，否则就会导致编译错误，因为 Windows 平台下没有 sleep() 函数，也没有 <unistd.h> 头文件，反之亦然。这就要求我们在编译之前，也就是预处理阶段来解决这个问题。请看下面的代码：

#include <stdio.h>
//不同的平台下引入不同的头文件
#if _WIN32  //识别windows平台
#include <windows.h>
#elif __linux__  //识别linux平台
#include <unistd.h>
#endif
int main() {
    //不同的平台下调用不同的函数
    #if _WIN32  //识别windows平台
    Sleep(5000);
    #elif __linux__  //识别linux平台
    sleep(5);
    #endif
    puts("http://c.biancheng.net/");
    return 0;
}
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• #if、#elif、#endif 就是预处理命令，它们都是在编译之前由预处理程序来执行的。这里我们不讨论细节，只从整体上来理解。

• 对于 Windows 平台，预处理以后的代码变成：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main() {
    Sleep(5000);
    puts("http://c.biancheng.net/");
    return 0;
}

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• 对于 Linux 平台，预处理以后的代码变成：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
    sleep(5);
    puts("http://c.biancheng.net/");
    return 0;
}
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• 你看，在不同的平台下，编译之前（预处理之后）的源代码都是不一样的。这就是预处理阶段的工作，它把代码当成普通文本，根据设定的条件进行一些简单的文本替换，将替换以后的结果再交给编译器处理。

1.2 C语言#include的用法

• #include叫做文件包含命令，用来引入对应的头文件（.h文件）。#include 也是C语言预处理命令的一种。

• #include 的处理过程很简单，就是将头文件的内容插入到该命令所在的位置，从而把头文件和当前源文件连接成一个源文件，这与复制粘贴的效果相同。

• #include 的用法有两种，如下所示：

#include <stdHeader.h>
#include "myHeader.h"
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• 使用尖括号< >和双引号" "的区别在于头文件的搜索路径不同：

1. 使用尖括号< >，编译器会到系统路径下查找头文件；
2. 而使用双引号" "，编译器首先在当前目录下查找头文件，如果没有找到，再到系统路径下查找。

• 也就是说，使用双引号比使用尖括号多了一个查找路径，它的功能更为强大。

• 前面我们一直使用尖括号来引入标准头文件，现在我们也可以使用双引号了，如下所示：

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
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• stdio.h 和 stdlib.h 都是标准头文件，它们存放于系统路径下，所以使用尖括号和双引号都能够成功引入；而我们自己编写的头文件，一般存放于当前项目的路径下，所以不能使用尖括号，只能使用双引号。

• 当然，你也可以把当前项目所在的目录添加到系统路径，这样就可以使用尖括号了，但是一般没人这么做，纯粹多此一举，费力不讨好。

• 在以后的编程中，大家既可以使用尖括号来引入标准头文件，也可以使用双引号来引入标准头文件；不过，我个人的习惯是使用尖括号来引入标准头文件，使用双引号来引入自定义头文件（自己编写的头文件），这样一眼就能看出头文件的区别。

• 关于 #include 用法的注意事项：

1. 一个 #include 命令只能包含一个头文件，多个头文件需要多个 #include 命令。
2. 同一个头文件可以被多次引入，多次引入的效果和一次引入的效果相同，因为头文件在代码层面有防止重复引入的机制。
3. 文件包含允许嵌套，也就是说在一个被包含的文件中又可以包含另一个文件。

include 用法举例

• 我们早就学会使用 #include 引入标准头文件了，但是如何使用 #include 引入自定义的头文件呢？下面我们就通过一个例子来简单地演示一下。

• 本例中需要创建三个文件，分别是 main.c、my.c 和 my.h，如下图所示：

• 演示#include的用法

my.c 所包含的代码：

//计算从m加到n的和
int sum(int m, int n) {
    int i, sum = 0;
    for (i = m; i <= n; i++) {
        sum += i;
    }
    return sum;
}
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my.h 所包含的代码：

//声明函数
int sum(int m, int n);
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main.c 所包含的代码：

#include <stdio.h>
#include "my.h"
int main() {
    printf("%d\n", sum(1, 100));
    return 0;
}
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• 我们在 my.c 中定义了 sum() 函数，在 my.h 中声明了 sum() 函数，这可能与很多初学者的认知发生了冲突：函数不是在头文件中定义的吗？为什么头文件中只有声明？

  「在头文件中定义定义函数和全局变量」这种认知是原则性的错误！不管是标准头文件，还是自定义头文件，都只能包含变量和函数的声明，不能包含定义，否则在多次引入时会引起重复定义错误。

1.3 C语言宏定义

• #define 叫做宏定义命令，它也是C语言预处理命令的一种。所谓宏定义，就是用一个标识符来表示一个字符串，如果在后面的代码中出现了该标识符，那么就全部替换成指定的字符串。

• 我们先通过一个例子来看一下 #define 的用法：

#include <stdio.h>
#define N 100
int main(){
    int sum = 20 + N;
    printf("%d\n", sum);
    return 0;
}
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运行结果：
120

• 注意第 6 行代码int sum = 20 + N，N被100代替了。

• #define N 100就是宏定义，N为宏名，100是宏的内容（宏所表示的字符串）`。在预处理阶段，对程序中所有出现的“宏名”，预处理器都会用宏定义中的字符串去代换，这称为“宏替换”或“宏展开”。

• 宏定义是由源程序中的宏定义命令#define完成的，宏替换是由预处理程序完成的。

• 宏定义的一般形式为：

#define  宏名  字符串
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• #表示这是一条预处理命令，所有的预处理命令都以 # 开头。宏名是标识符的一种，命名规则和变量相同。字符串可以是数字、表达式、if 语句、函数等。

这里所说的字符串是一般意义上的字符序列，不要和C语言中的字符串等同，它不需要双引号。
程序中反复使用的表达式就可以使用宏定义
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例如：

#define M (n*n+3*n)
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• 它的作用是指定标识符M来表示(y*y+3*y)这个表达式。在编写代码时，所有出现 (yy+3y) 的地方都可以用 M 来表示，而对源程序编译时，将先由预处理程序进行宏代替，即用 (yy+3y) 去替换所有的宏名 M，然后再进行编译。

• 将上面的例子补充完整：

#include <stdio.h>
#define M (n*n+3*n)
int main(){
    int sum, n;
    printf("Input a number: ");
    scanf("%d", &n);
    sum = 3*M+4*M+5*M;
    printf("sum=%d\n", sum);
    return 0;
}
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运行结果：
Input a number: 10↙
sum=1560

• 程序的开头首先定义了一个宏 M，它表示 (nn+3n) 这个表达式。在 9 行代码中使用了宏 M，预处理程序将它展开为下面的语句：

sum=3*(n*n+3*n)+4*(n*n+3*n)+5*(n*n+3*n);
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• 需要注意的是，在宏定义中表达式(nn+3n)两边的括号不能少，否则在宏展开以后可能会产生歧义。下面是一个反面的例子：

#difine M n*n+3*n
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• 在宏展开后将得到下述语句：

s=3*n*n+3*n+4*n*n+3*n+5*n*n+3*n;
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• 这相当于：

3n2+3n+4n2+3n+5n2+3n
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• 这显然是不正确的。所以进行宏定义时要注意，应该保证在宏替换之后不发生歧义。

对 #define 用法的几点说明

`1) 宏定义是用宏名来表示一个字符串，在宏展开时又以该字符串取代宏名，这只是一种简单粗暴的替换。字符串中可以含任何字符，它可以是常数、表达式、if 语句、函数等，预处理程序对它不作任何检查，如有错误，只能在编译已被宏展开后的源程序时发现。

`2) 宏定义不是说明或语句，在行末不必加分号，如加上分号则连分号也一起替换。

`3) 宏定义必须写在函数之外，其作用域为宏定义命令起到源程序结束。如要终止其作用域可使用#undef命令。例如：

#define PI 3.14159
int main(){
    // Code
    return 0;
}
#undef PI
void func(){
    // Code
}
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• 表示 PI 只在 main() 函数中有效，在 func() 中无效。

`4) 代码中的宏名如果被引号包围，那么预处理程序不对其作宏代替，例如：

#include <stdio.h>
#define OK 100
int main(){
    printf("OK\n");
    return 0;
}
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运行结果：
OK

• 该例中定义宏名 OK 表示 100，但在 printf 语句中 OK 被引号括起来，因此不作宏替换，而作为字符串处理。

`5) 宏定义允许嵌套，在宏定义的字符串中可以使用已经定义的宏名，在宏展开时由预处理程序层层代换。例如：

#define PI 3.1415926
#define S PI*y*y    /* PI是已定义的宏名*/
对语句：
printf("%f", S);
在宏代换后变为：
printf("%f", 3.1415926*y*y);
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`6) 习惯上宏名用大写字母表示，以便于与变量区别。但也允许用小写字母。

`7) 可用宏定义表示数据类型，使书写方便。例如：

#define UINT unsigned int
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• 在程序中可用 UINT 作变量说明：

UINT a, b;
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• 应注意用宏定义表示数据类型和用 typedef 定义数据说明符的区别。宏定义只是简单的字符串替换，由预处理器来处理；而 typedef 是在编译阶段由编译器处理的，它并不是简单的字符串替换，而给原有的数据类型起一个新的名字，将它作为一种新的数据类型。

• 请看下面的例子：

#define PIN1 int *
typedef int *PIN2;  //也可以写作typedef int (*PIN2);
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• 从形式上看这两者相似， 但在实际使用中却不相同。

• 下面用 PIN1，PIN2 说明变量时就可以看出它们的区别：

PIN1 a, b;
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在宏代换后变成：

int * a, b;
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• 表示 a 是指向整型的指针变量，而 b 是整型变量。然而：

PIN2 a,b;
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• 表示 a、b 都是指向整型的指针变量。因为 PIN2 是一个新的、完整的数据类型。由这个例子可见，宏定义虽然也可表示数据类型， 但毕竟只是简单的字符串替换。在使用时要格外小心，以避出错。

1.4 C语言带参数的宏定义

• C语言允许宏带有参数。在宏定义中的参数称为“形式参数”，在宏调用中的参数称为“实际参数”，这点和函数有些类似。

对带参数的宏，在展开过程中不仅要进行字符串替换，还要用实参去替换形参。
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• 带参宏定义的一般形式为：

#define 宏名(形参列表) 字符串
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• 在字符串中可以含有各个形参。

• 带参宏调用的一般形式为：

宏名(实参列表);
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• 例如：

#define M(y) y*y+3*y  //宏定义
// TODO:
k=M(5);  //宏调用
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• 在宏展开时，用实参 5 去代替形参 y，经预处理程序展开后的语句为k=55+35。

• 【示例】输出两个数中较大的数。

#include <stdio.h>
#define MAX(a,b) (a>b) ? a : b
int main(){
    int x , y, max;
    printf("input two numbers: ");
    scanf("%d %d", &x, &y);
    max = MAX(x, y);
    printf("max=%d\n", max);
    return 0;
}
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运行结果：
input two numbers: 10 20
max=20

• 程序第 2 行定义了一个带参数的宏，用宏名MAX表示条件表达式(a>b) ? a : b，形参 a、b 均出现在条件表达式中。程序第 7 行max = MAX(x, y)为宏调用，实参 x、y 将用来代替形参 a、b。宏展开后该语句为：

max=(x>y) ? x : y;
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对带参宏定义的说明

`1) 带参宏定义中，形参之间可以出现空格，但是宏名和形参列表之间不能有空格出现。例如把：

#define MAX(a,b) (a>b)?a:b
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写为：

#define MAX  (a,b)  (a>b)?a:b
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• 将被认为是无参宏定义，宏名 MAX 代表字符串(a,b) (a>b)?a:b。宏展开时，宏调用语句：

max = MAX(x,y);
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将变为：

max = (a,b)(a>b)?a:b(x,y);
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• 这显然是错误的。

`2) 在带参宏定义中，不会为形式参数分配内存，因此不必指明数据类型。而在宏调用中，实参包含了具体的数据，要用它们去替换形参，因此实参必须要指明数据类型。

• 这一点和函数是不同的：在函数中，形参和实参是两个不同的变量，都有自己的作用域，调用时要把实参的值传递给形参；而在带参数的宏中，只是符号的替换，不存在值传递的问题。

• 【示例】输入 n，输出 (n+1)^2 的值。

#include <stdio.h>
#define SQ(y) (y)*(y)
int main(){
    int a, sq;
    printf("input a number: ");
    scanf("%d", &a);
    sq = SQ(a+1);
    printf("sq=%d\n", sq);
    return 0;
}
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运行结果：
input a number: 9
sq=100

• 第 2 行为宏定义，形参为 y。第 7 行宏调用中实参为 a+1，是一个表达式，在宏展开时，用 a+1 代换 y，再用 (y)*(y) 代换 SQ，得到如下语句：

sq=(a+1)*(a+1);
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• 这与函数的调用是不同的，函数调用时要把实参表达式的值求出来再传递给形参，而宏展开中对实参表达式不作计算，直接按照原样替换。

`3) 在宏定义中，字符串内的形参通常要用括号括起来以避免出错。例如上面的宏定义中 (y)*(y) 表达式的 y 都用括号括起来，因此结果是正确的。如果去掉括号，把程序改为以下形式：

#include <stdio.h>
#define SQ(y) y*y
int main(){
    int a, sq;
    printf("input a number: ");
    scanf("%d", &a);
    sq = SQ(a+1);
    printf("sq=%d\n", sq);
    return 0;
}
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运行结果为：
input a number: 9
sq=19

• 同样输入 9，但结果却是不一样的。问题在哪里呢？这是由于宏展开只是简单的符号替换的过程，没有任何其它的处理。宏替换后将得到以下语句：

sq=a+1*a+1;
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• 由于 a 为 9，故 sq 的值为 19。这显然与题意相违，因此参数两边的括号是不能少的。即使在参数两边加括号还是不够的，请看下面程序：

#include <stdio.h>
#define SQ(y) (y)*(y)
int main(){
    int a,sq;
    printf("input a number: ");
    scanf("%d", &a);
    sq = 200 / SQ(a+1);
    printf("sq=%d\n", sq);
    return 0;
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• 与前面的代码相比，只是把宏调用语句改为：

sq = 200/SQ(a+1);
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• 运行程序后，如果仍然输入 9，那么我们希望的结果为 2。但实际情况并非如此：

input a number: 9
sq=200
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• 为什么会得这样的结果呢？分析宏调用语句，在宏展开之后变为：

sq=200/(a+1)*(a+1);
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• a 为 9 时，由于“/”和“”运算符优先级和结合性相同，所以先计算 200/(9+1)，结果为 20，再计算 20(9+1)，最后得到 200。

• 为了得到正确答案，应该在宏定义中的整个字符串外加括号：

#include <stdio.h>
#define SQ(y) ((y)*(y))
int main(){
    int a,sq;
    printf("input a number: ");
    scanf("%d", &a);
    sq = 200 / SQ(a+1);
    printf("sq=%d\n", sq);
    return 0;
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由此可见，对于带参宏定义不仅要在参数两侧加括号，还应该在整个字符串外加括号。

1.5 C语言带参宏定义和函数的区别

• 带参数的宏和函数很相似，但有本质上的区别：宏展开仅仅是字符串的替换，不会对表达式进行计算；宏在编译之前就被处理掉了，它没有机会参与编译，也不会占用内存。而函数是一段可以重复使用的代码，会被编译，会给它分配内存，每次调用函数，就是执行这块内存中的代码。

• 【示例①】用函数计算平方值。

#include <stdio.h>
int SQ(int y){
  return ((y)*(y));
}
int main(){
    int i=1;
    while(i<=5){
        printf("%d^2 = %d\n", (i-1), SQ(i++));
    }
    return 0;
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运行结果：
1^2 = 1
2^2 = 4
3^2 = 9
4^2 = 16
5^2 = 25

• 【示例②】用宏计算平方值。

#include <stdio.h>
#define SQ(y) ((y)*(y))
int main(){
    int i=1;
    while(i<=5){
        printf("%d^2 = %d\n", i, SQ(i++));
    }
    return 0;
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• 在 Visual Studio 和 C-Free 下的运行结果（其它编译器的运行结果可能不同，这个++运算的顺序有关）：
  3^2 = 1
  5^2 = 9
  7^2 = 25

• 在示例①中，先把实参 i 传递给形参 y，然后再自增 1，这样每循环一次 i 的值增加 1，所以最终要循环 5 次。

• 在示例②中，宏调用只是简单的字符串替换，SQ(i++) 会被替换为 ((i++)*(i++))，这样每循环一次 i 的值增加 2，所以最终只循环 3 次。

• 由此可见，宏和函数只是在形式上相似，本质上是完全不同的。

• 带参数的宏也可以用来定义多个语句，在宏调用时，把这些语句又替换到源程序中，请看下面的例子：

#include <stdio.h>
#define SSSV(s1, s2, s3, v) s1 = length * width; s2 = length * height; s3 = width * height; v = width * length * height;
int main(){
    int length = 3, width = 4, height = 5, sa, sb, sc, vv;
    SSSV(sa, sb, sc, vv);
    printf("sa=%d, sb=%d, sc=%d, vv=%d\n", sa, sb, sc, vv);
    return 0;
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运行结果：
sa=12, sb=15, sc=20, vv=60

1.6 C语言#if、##ifdef、#ifndef的用法

#ifdef 的用法

• #ifdef 用法的一般格式为：

#ifdef  宏名
    程序段1
#else
    程序段2
#endif
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• 它的意思是，如果当前的宏已被定义过，则对“程序段1”进行编译，否则对“程序段2”进行编译。

• 也可以省略 #else：

#ifdef  宏名
    程序段
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• VS/VC 有两种编译模式，Debug 和 Release。在学习过程中，我们通常使用 Debug 模式，这样便于程序的调试；而最终发布的程序，要使用 Release 模式，这样编译器会进行很多优化，提高程序运行效率，删除冗余信息。

• 为了能够清楚地看到当前程序的编译模式，我们不妨在程序中增加提示，请看下面的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
    #ifdef _DEBUG
        printf("正在使用 Debug 模式编译程序...\n");
    #else
        printf("正在使用 Release 模式编译程序...\n");
    #endif
    system("pause");
    return 0;
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• 当以 Debug 模式编译程序时，宏 _DEBUG 会被定义，预处器会保留第 5 行代码，删除第 7 行代码。反之会删除第 5 行，保留第 7 行。

#ifndef 的用法

• #ifndef 用法的一般格式为：

#ifndef 宏名
    程序段1 
#else 
    程序段2 
#endif
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• 与 #ifdef 相比，仅仅是将 #ifdef 改为了 #ifndef。它的意思是，如果当前的宏未被定义，则对“程序段1”进行编译，否则对“程序段2”进行编译，这与 #ifdef 的功能正好相反。

三者之间的区别

• 最后需要注意的是，#if 后面跟的是“整型常量表达式”，而 #ifdef 和 #ifndef 后面跟的只能是一个宏名，不能是其他的。

• 例如，下面的形式只能用于 #if：

#include <stdio.h>
#define NUM 10
int main(){
    #if NUM == 10 || NUM == 20
        printf("NUM: %d\n", NUM);
    #else
        printf("NUM Error\n");
    #endif
    return 0;
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运行结果：
NUM: 10

• 再如，两个宏都存在时编译代码A，否则编译代码B：

#include <stdio.h>
#define NUM1 10
#define NUM2 20
int main(){
    #if (defined NUM1 && defined NUM2)
        //代码A
        printf("NUM1: %d, NUM2: %d\n", NUM1, NUM2);
    #else
        //代码B
        printf("Error\n");
    #endif
    return 0;
}
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运行结果：
NUM1: 10, NUM2: 20

• #ifdef 可以认为是 #if defined 的缩写。

1.7 C语言预处理命令总结

• 预处理指令是以#号开头的代码行，# 号必须是该行除了任何空白字符外的第一个字符。# 后是指令关键字，在关键字和 # 号之间允许存在任意个数的空白字符，整行语句构成了一条预处理指令，该指令将在编译器进行编译之前对源代码做某些转换。

• 下面是本章涉及到的部分预处理指令：

• 预处理功能是C语言特有的功能，它是在对源程序正式编译前由预处理程序完成的，程序员在程序中用预处理命令来调用这些功能。

• 宏定义可以带有参数，宏调用时是以实参代换形参，而不是“值传送”。

• 为了避免宏代换时发生错误，宏定义中的字符串应加括号，字符串中出现的形式参数两边也应加括号。

• 文件包含是预处理的一个重要功能，它可用来把多个源文件连接成一个源文件进行编译，结果将生成一个目标文件。

• 条件编译允许只编译源程序中满足条件的程序段，使生成的目标程序较短，从而减少了内存的开销并提高了程序的效率。

• 使用预处理功能便于程序的修改、阅读、移植和调试，也便于实现模块化程序设计。