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【為宏正名】99%人都不知道的"##"里用法

時間:2024-02-13

【說在前面的話】


有人說C語言中最臭名昭著的兩兄弟就是指針和宏了。對于前者,很多有經驗的老鳥會告訴你:用好了指針你就掌握了C語言的內功心法——如同原力一樣,無論是追隨光明還是墮入黑暗都離不開它。宏就沒這么幸運了,不光年年受到邪惡的混亂C語言大賽的肆意霸凌(https://www.ioccc.org/),更是讓“讓代碼爹媽都不認識”的身份標簽貼到了骨頭上——怎一個慘字了得。



這個系列將本著實用的原則介紹一些宏在模塊封裝中“點石成金”的用法,讓大家正確認識到宏真實的作用和使用規則——真真正正還“宏”一個公道。


【"##"的“表”用法】


想必很多人都知道"##"的用法——它本質上是一個“膠水運算”,用于把參數宏中的“形參”與其它沒有天然分割的內容粘連在一起,例如:
#define def_u32_array(__name, __size)     uint32_t array_##__name[__size];

實際中,我們可以這樣使用:

def_u32_array(sample_buffer, 64)

宏展開的效果是:

uint32_t array_sample_buffer[64];

可以看到,"array__"與形參“__name”是沒有天然分割的,因此要想將"array_"與"__name"所代表的內容(而不是__name本身)粘連在一起,就需要“##”運算的幫助。另一方面,"__name"與"["是具有天然分隔的——編譯器不會認為"__name"與"["是連接在一起的,因此這里并不需要畫蛇添足的使用"##"運算——如果你這么做了,預編譯器會毫不猶豫的告訴你語法錯誤。——這是"##"運算的普通用法,在過去轉載的文章C語言#和##連接符在項目中的應用(漂亮)中也有詳細介紹,這里就不再贅述。


【"##"的官方“里”用法】


“##”還有一個很少為人所知的“里”用法,在介紹它之前,不得不首先說說由ANSI-C99標準引入的另外一個參數宏擴展——可變參數宏。舉個例子:
#define safe_atom_code(...)                          \        {                                            \            uint32_t int_flag = __disable_irq();     \            __VA_ARGS__                              \            __set_PRIMASK(int_flag);                 \        }

這里定義了一個宏"safe_atom_code()",在括號內,無論你填寫任何內容,都會被無條件的放置到“__VA_ARGS__”所在的位置,你可以認為括號里的“...”實際上就是對應"__VA_ARGS__"。比如,我們可以寫下這樣的代碼:

/**  \fn          void wr_dat (uint16_t dat)  \brief       Write data to the LCD controller  \param[in]   dat  Data to write*/static __inline void wr_dat (uint_fast16_t dat) {    safe_atom_code(        LCD_CS(0);        GLCD_PORT->DAT = (dat >>   8);   /* Write D8..D15 */        GLCD_PORT->DAT = (dat & 0xFF);   /* Write D0..D7 */        LCD_CS(1);    )}

這個代碼確保在向寄存器GCLD_PORT->DAT寫入數據時不會被其它中斷打斷。

聰明的你也許很快就會提出這樣的問題,上述宏跟下面的寫法有什么區別呢?
#define safe_atom_code(__CODE)                       \        {                                            \            uint32_t int_flag = __disable_irq();     \            __CODE                                   \            __set_PRIMASK(int_flag);                 \        }

你不僅提出了問題,甚至還實際測試了下,似乎完全等效,“根本沒差別嘛!”——你驚呼道。然而,事實上并沒有那么簡單:

  • 參數宏是通過“,”來作為分隔符來計算用戶實際產傳入了幾個參數的,或者換句話說,在使用參數宏的時候,預編譯器是看不懂C語法的——在它眼中,除了它所認識的少數符號外,其它東西都是無意義的字符串——由于在處理括號內部的內容時,它只認識","和"...",因此當括號中的內容每增加一個",",與編譯器就認為多了一個參數。

  • 當你使用參數宏的時候,傳入參數的個數(已“,”分開)必須與定義參數宏時候形參的數量完全一致;當不一致的時候,預編譯器可能不會報錯,而是直接無視了你的參數宏——把它傳遞到編譯的下一階段,因而往往會被認作是一個函數——事實上這個函數是不存在的,因此在鏈接階段會報告某某函數未定義的錯誤。這時候你就會納悶了,為啥我明明定義的是一個宏,編譯器卻把它當作函數呢?


可變參數宏的引入就解決了這個問題:

  • "..."只能放在參數宏形參列表的最后;

  • 當用戶的參數個數超過了規定的參數個數時,所有多出來的內容會一股腦的由“__VA_ARGS__”所背負;

  • 當用戶的參數個數正好等于形參的個數時,"__VA_ARGS__"就等效于一個空字符串


回頭再來看前面的問題,

#define safe_atom_code(...)

與 

#define safe_atom_code(__CODE)

的差別在于,前者括號里可以放包括","在內的幾乎任意內容;而后者則完全不能容忍逗號的存在——比如你調用了一個函數,函數的參數要用到都好隔開吧?再比如,你用到了逗號表達式……——想想都很酸爽。


其實,可變參數列表最初誕生的原因之一是為了解決與C函數的可變參數(va_args)配合使用的問題,例如:
#define log_info(__STRING, ...)    printf(__STRING, __VA_ARGS__)

因此,使用的時候,我們可以這樣寫:

log_info("------------------------------------\r\n");log_info(" Cycle Count : %d", total_cycle_cnt);

宏展開后實際上對應于:

printf("------------------------------------\r\n",);printf(" Cycle Count : %d", total_cycle_cnt);

看似沒有問題,注意到一個細節沒有?在第一個printf()的最后多了一個","。雖然有些編譯器,例如GCC并不會計較(也許就是一個warning),但對于廣大潔癖嚴重的處女座程序員來說,這怎么能忍,于是在ANSI-C99標準引入可變參數宏的時候,又貼心了加了一個不那么起眼的語法:當下面的組合出現時 ",##__VA_ARGS__",如果__VA_ARGS__是一個空字符串,則前面的","會一并被刪除掉。因此,上面的宏可以改寫為:

#define log_info(__STRING, ...)    printf(__STRING,##__VA_ARGS__)

此時,前面的代碼會被展開為:

printf("------------------------------------\r\n");printf(" Cycle Count : %d", total_cycle_cnt);

處女座表示,這次可以安心睡覺了。


如果說這就是99%的C程序員都不知道的"##"隱藏用法,未免太對不起觀眾了,實際上本文的正片才剛剛開始。

【正文:"##"的騷操作】


逗號表達式,一直關注公眾號的朋友們想必都很熟悉——之前轉載的文章【C進階】聽說用 “ 逗號表達式 ” 僅僅為了秀技?已經說的非常詳細了,這里就不再贅述。簡單說,就是逗號表達式中,逗號的最右邊將作為表達式真正的返回值。 
結合前面關于",##__VA_ARGS__"用法的介紹,你們有沒有意識到,其實這里的逗號不光可以是參數列表的分隔符,還可以是逗號表達式的運算符。結合__VA_ARGS__的特性,我們可以寫出類似這樣的宏:
#define EXAMPLE(...)     ( 默認值 ,##__VA_ARGS__)
它有兩種使用情況情況:
  • 當我們使用參數宏的時候在括號里不填寫任何內容,最終會展開為僅有默認值的情況:

EXAMPLE();

被展開為:

( 默認值 )
  • 當我們提供了任意的有效值時,則會被展開成逗號表達式:

EXAMPLE(我們提供的值);

被展開為:

( 默認值, 我們提供的值 )

根據逗號表達式的特性,此時,默認值會被丟棄掉(有些編譯器會報告表達式無效的warning,這是正常的,因為編譯器注意到“默認值”所代表的表達式實際上被丟棄了,它覺得我們寫了一個無用的表達式)。

這個技巧其實對API的封裝特別有效:它允許我們簡化函數API的使用,比如在用戶忽略的情況下,自動給函數填充某些默認值,而在用戶主動提供參數的情況下,替代那些默認值。這里我舉兩個現實中的例子:


  • 為函數提供默認的參數

假設我們有一個初始化函數,初始化函數允許用戶通過結構體來配置一些參數:

typedef struct xxxx_cfg_t {    ...xxxx_cfg_t;
int xxxx_init(xxxx_cfg_t *cfg_ptr);

為了簡化用戶的配置過程,初始化函數會檢查指針cfg_ptr是否為NULL,如果為NULL則自動使用默認配置,反之將使用用戶定義的配置。此時,我們可以通過宏來提供默認值NULL:

#define XXXX_INIT(...)    xxxx_init((NULL,##__VA_ARGS__))

  • 為消息處理提供默認的掩碼配置

有些消息處理函數可以批量的處理某一類消息,而具體選中了哪些消息類別,則通常由二進制掩碼來表示,例如:

typedef struct msg_t msg_t;struct {    uint16_t msg;    uint16_t mask;    int (*handler)(msg_t *msg_ptr);msg_t;
此時我們完全可以借助宏來構建一套語法糖:
#define def_msg_map(__name, ...)                            \    const msg_t __name[] = {__VA_ARGS__};    #define add_msg(__msg, __handler, ...)                      \    {                                                       \        .msg = (__msg),                                     \        .handler = &(__handler),                            \        .msk = (0xFFFF##__VA_ARGS__),                     \    }
通過宏 add_msg 我們注意到,當用戶刻意省略設置msk時,我們就給出默認值 0xFFFF——這很可能表示,在進行消息處理的時候,消息必須嚴格匹配才能交給對應的處理函數;當用戶指定 msk 時,則可能表示某一類消息都交給同一個消息處理函數來處理。例如:
/*! \note 高字節表示操作的類別:          比如0x00表示控制類,0x01表示WRITE,0x02表示READ */enum {    SIGN_UP      = 0x0001,    WRITE_MEM    = 0x0100,    WRITE_SRAM   = 0x0101,    WRITE_FLASH  = 0x0102,    WRITE_EEPROM = 0x0103,        READ_MEM     = 0x0200,    READ_SRAM    = 0x0201,    READ_FLASH   = 0x0202,    READ_EEPROM  = 0x0203,};
extern int iap_sign_up_handler(msg_t *msg_ptr);extern int iap_write_mem(msg_t *msg_ptr);extern int iap_read_mem(msg_t *msg_ptr);
def_msg_map( iap_message_map    /* 嚴格的將 SIGN_UP 映射到 對應的處理函數中 */    add_msg( SIGN_UP,  iap_sign_up_handler ),    /* 批量處理所有的WRITE操作,使用掩碼進行過濾*/    add_msg( WRITE_MEM, iap_write_mem,       0xFF00 ),     /* 批量處理所有的READ操作,使用掩碼進行過濾 */    add_msg( READ_MEM,  iap_read_mem,    0xFF00 ),)


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