【为宏正名】99%人都不知道的"##"的用法!

嵌入式资讯精选 2020-07-08

【说在前面的话】


有人说C语言中最臭名昭著的两兄弟就是指针和宏了。对于前者,很多有经验的老鸟会告诉你:用好了指针你就掌握了C语言的内功心法——如同原力一样,无论是追随光明还是堕入黑暗都离不开它。宏就没这么幸运了,不光年年受到邪恶的混乱C语言大赛的肆意霸凌(https://www.ioccc.org/),更是让“让代码爹妈都不认识”的身份标签贴到了骨头上——怎一个惨字了得。



这个系列将本着实用的原则介绍一些宏在模块封装中“点石成金”的用法,让大家正确认识到宏真实的作用和使用规则——真真正正还“宏”一个公道。


【"##"的“表”用法】


想必很多人都知道"##"的用法——它本质上是一个“胶水运算”,用于把参数宏中的“形参”与其它没有天然分割的内容粘连在一起,例如:
#define def_u32_array(__name, __size)     uint32_t array_##__name[__size];

实际中,我们可以这样使用:

def_u32_array(sample_buffer, 64)

宏展开的效果是:

uint32_t array_sample_buffer[64];

可以看到,"array__"与形参“__name”是没有天然分割的,因此要想将"array_"与"__name"所代表的内容(而不是__name本身)粘连在一起,就需要“##”运算的帮助。另一方面,"__name"与"["是具有天然分隔的——编译器不会认为"__name"与"["是连接在一起的,因此这里并不需要画蛇添足的使用"##"运算——如果你这么做了,预编译器会毫不犹豫的告诉你语法错误。——这是"##"运算的普通用法,在过去转载的文章C语言#和##连接符在项目中的应用(漂亮)中也有详细介绍,这里就不再赘述。


【"##"的官方“里”用法】


“##”还有一个很少为人所知的“里”用法,在介绍它之前,不得不首先说说由ANSI-C99标准引入的另外一个参数宏扩展——可变参数宏。举个例子:
#define safe_atom_code(...) \        { \            uint32_t int_flag = __disable_irq(); \            __VA_ARGS__ \            __set_PRIMASK(int_flag); \        }

这里定义了一个宏"safe_atom_code()",在括号内,无论你填写任何内容,都会被无条件的放置到“__VA_ARGS__”所在的位置,你可以认为括号里的“...”实际上就是对应"__VA_ARGS__"。比如,我们可以写下这样的代码:

/** \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); )}

这个代码确保在向寄存器GCLD_PORT->DAT写入数据时不会被其它中断打断。

聪明的你也许很快就会提出这样的问题,上述宏跟下面的写法有什么区别呢?
#define safe_atom_code(__CODE) \        { \            uint32_t int_flag = __disable_irq(); \            __CODE \            __set_PRIMASK(int_flag); \        }

你不仅提出了问题,甚至还实际测试了下,似乎完全等效,“根本没差别嘛!”——你惊呼道。然而,事实上并没有那么简单:

  • 参数宏是通过“,”来作为分隔符来计算用户实际产传入了几个参数的,或者换句话说,在使用参数宏的时候,预编译器是看不懂C语法的——在它眼中,除了它所认识的少数符号外,其它东西都是无意义的字符串——由于在处理括号内部的内容时,它只认识","和"...",因此当括号中的内容每增加一个",",与编译器就认为多了一个参数。

  • 当你使用参数宏的时候,传入参数的个数(已“,”分开)必须与定义参数宏时候形参的数量完全一致;当不一致的时候,预编译器可能不会报错,而是直接无视了你的参数宏——把它传递到编译的下一阶段,因而往往会被认作是一个函数——事实上这个函数是不存在的,因此在链接阶段会报告某某函数未定义的错误。这时候你就会纳闷了,为啥我明明定义的是一个宏,编译器却把它当作函数呢?


可变参数宏的引入就解决了这个问题:

  • "..."只能放在参数宏形参列表的最后;

  • 当用户的参数个数超过了规定的参数个数时,所有多出来的内容会一股脑的由“__VA_ARGS__”所背负;

  • 当用户的参数个数正好等于形参的个数时,"__VA_ARGS__"就等效于一个空字符串


回头再来看前面的问题,

#define safe_atom_code(...)

与 

#define safe_atom_code(__CODE)

的差别在于,前者括号里可以放包括","在内的几乎任意内容;而后者则完全不能容忍逗号的存在——比如你调用了一个函数,函数的参数要用到都好隔开吧?再比如,你用到了逗号表达式……——想想都很酸爽。


其实,可变参数列表最初诞生的原因之一是为了解决与C函数的可变参数(va_args)配合使用的问题,例如:
#define log_info(__STRING, ...)    printf(__STRING, __VA_ARGS__)

因此,使用的时候,我们可以这样写:

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

宏展开后实际上对应于:

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

看似没有问题,注意到一个细节没有?在第一个printf()的最后多了一个","。虽然有些编译器,例如GCC并不会计较(也许就是一个warning),但对于广大洁癖严重的处女座程序员来说,这怎么能忍,于是在ANSI-C99标准引入可变参数宏的时候,又贴心了加了一个不那么起眼的语法:当下面的组合出现时 ",##__VA_ARGS__",如果__VA_ARGS__是一个空字符串,则前面的","会一并被删除掉。因此,上面的宏可以改写为:

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

此时,前面的代码会被展开为:

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

处女座表示,这次可以安心睡觉了。


如果说这就是99%的C程序员都不知道的"##"隐藏用法,未免太对不起观众了,实际上本文的正片才刚刚开始。

【正文:"##"的骚操作】


逗号表达式,一直关注公众号的朋友们想必都很熟悉——之前转载的文章 【C进阶】听说用 “ 逗号表达式 ” 仅仅为了秀技? 已经说的非常详细了,这里就不再赘述。简单说,就是逗号表达式中,逗号的最右边将作为表达式真正的返回值。 
结合前面关于",##__VA_ARGS__"用法的介绍,你们有没有意识到,其实这里的逗号不光可以是参数列表的分隔符,还可以是逗号表达式的运算符。结合__VA_ARGS__的特性,我们可以写出类似这样的宏:
#define EXAMPLE(...)     ( 默认值 ,##__VA_ARGS__)
它有两种使用情况情况:
  • 当我们使用参数宏的时候在括号里不填写任何内容,最终会展开为仅有默认值的情况:

EXAMPLE();

被展开为:

( 默认值 )
  • 当我们提供了任意的有效值时,则会被展开成逗号表达式:

EXAMPLE(我们提供的值);

被展开为:

( 默认值, 我们提供的值 )

根据逗号表达式的特性,此时,默认值会被丢弃掉(有些编译器会报告表达式无效的warning,这是正常的,因为编译器注意到“默认值”所代表的表达式实际上被丢弃了,它觉得我们写了一个无用的表达式)。

这个技巧其实对API的封装特别有效:它允许我们简化函数API的使用,比如在用户忽略的情况下,自动给函数填充某些默认值,而在用户主动提供参数的情况下,替代那些默认值。这里我举两个现实中的例子:


  • 为函数提供默认的参数

假设我们有一个初始化函数,初始化函数允许用户通过结构体来配置一些参数:

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

为了简化用户的配置过程,初始化函数会检查指针cfg_ptr是否为NULL,如果为NULL则自动使用默认配置,反之将使用用户定义的配置。此时,我们可以通过宏来提供默认值NULL:

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

  • 为消息处理提供默认的掩码配置

有些消息处理函数可以批量的处理某一类消息,而具体选中了哪些消息类别,则通常由二进制掩码来表示,例如:

typedef struct msg_t msg_t;struct {uint16_t msg;    uint16_t mask;    int (*handler)(msg_t *msg_ptr);} msg_t;
此时我们完全可以借助宏来构建一套语法糖:
#define def_msg_map(__name, ...) \    const msg_t __name[] = {__VA_ARGS__};    #define add_msg(__msg, __handler, ...) \    {                                                       \     .msg = (__msg), \        .handler = &(__handler),                            \        .msk = (0xFFFF, ##__VA_ARGS__),                     \ }
通过宏 add_msg 我们注意到,当用户刻意省略设置msk时,我们就给出默认值 0xFFFF——这很可能表示,在进行消息处理的时候,消息必须严格匹配才能交给对应的处理函数;当用户指定 msk 时,则可能表示某一类消息都交给同一个消息处理函数来处理。例如:
/*! \note 高字节表示操作的类别: 比如0x00表示控制类,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    /* 严格的将 SIGN_UP 映射到 对应的处理函数中 */    add_msg( SIGN_UP,  iap_sign_up_handler ),    /* 批量处理所有的WRITE操作,使用掩码进行过滤*/    add_msg( WRITE_MEM, iap_write_mem,       0xFF00 ),     /* 批量处理所有的READ操作,使用掩码进行过滤 */    add_msg( READ_MEM,  iap_read_mem,    0xFF00 ),)




【结语】


宏不是阻碍代码开发和可读性的魔鬼,对自己不熟悉知识的傲慢才是。


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