Mdr-C-Tutorial

17. 预处理与翻译 ​

预处理指令在源文件进入完整的语法分析前生效，处理结果随后参与其余翻译阶段。本章研究单个源文件中的翻译阶段、宏替换、条件编译和其他标准预处理指令；自建头文件及跨文件接口在第二部分学习。

1. 本章内容 ​

  1. 翻译阶段
  2. #define：定义和取消定义宏。
  3. 条件编译：按条件保留或排除源码。
  4. #error 与 #warning：在翻译阶段产生诊断。
  5. #embed：把资源内容嵌入源码。
  6. #pragma：使用实现定义的预处理指令。
  7. #line：改变后续诊断使用的行号和文件名。

阅读宏代码时，应先确认展开后的预处理记号，而不是把宏当作普通 C 函数。

2. 习题 ​

#11702
⚡3⏳3

下面的程序把一层宏套在另一层宏外面，先不运行，写出每一行的输出：

c
#include <stdio.h>

#define STR(x) #x
#define XSTR(x) STR(x)
#define CAT(a, b) a##b
#define XCAT(a, b) CAT(a, b)

int main(void) {
    puts(STR(CAT(1, 2)));
    puts(XSTR(CAT(1, 2)));
    printf("%d\n", CAT(1, 2));
    printf("%d\n", XCAT(1 + 1, 2));
    puts(STR(a/**/b));
    return 0;
}
  1. 逐行写出输出。
  2. 说明 STR(CAT(1, 2)) 与 XSTR(CAT(1, 2)) 结果不同的原因，并指出这条规则在写“把宏的值变成字符串”时意味着什么。
  3. XCAT(1 + 1, 2) 得到什么值？左实参有三个记号，## 只把其中哪一个与右实参拼接？剩下的记号去哪了？
  4. 最后一行为什么输出 a b 而不是 ab？把 a/**/b 换成 a b 或 ab 分别会怎样？
  5. 另写一个小程序，用 #define APP_NAME "Mdr"、#define APP_VER " C23" 和 puts(APP_NAME APP_VER);，先运行 gcc -E -P 看预处理输出，再编译运行。预处理输出里两个字符串字面量是分开的，程序却把它们当成一个；对照 17.1 的八个阶段，说明拼接发生在第几阶段，#define 的替换又属于哪一阶段。
  6. 用 #undef 把 STR 取消定义后，再写一次 STR(x)，会得到什么？如果紧接着重新定义 STR 为另一个替换列表，同一份源码里前后的调用各自用哪一版？
#11703
⚡4⏳4

写一个配置文件 config.h，只用条件编译完成下面几件事：

  1. 在 __STDC_VERSION__ 未定义或低于 201112L 时用 #error 中止编译，消息写明需要 C11。
  2. 定义 MODEV：C23 及以上为 3，C17 为 2，C11 为 1。
  3. 未定义 NDEBUG 时用 #warning 提示这是调试构建。
  4. 在 __STDC_VERSION__ >= 202311L 时定义 HAVE_NULLPTR 1，否则定义为 0。
  5. 实现支持 __has_embed 时，用 #embed 把工作目录下的 icon.bin 读进一个 unsigned char 数组；不支持时退回一个手写的默认数组。
  6. 再写一个 main.c 包含它，按 MODEV 选择初始化空指针的写法（nullptr 或 NULL），打印版本、指针是否为空、是否为调试构建，最后打印资源数组的字节数。

第 5 条要写成嵌套的条件块，下面这个骨架把三层分支标了出来：

c
#if defined(__has_embed)
#if __has_embed("icon.bin") == __STDC_EMBED_FOUND__
/* 用 #embed 引入资源 */
#else
/* 资源为空或不存在时的替代 */
#endif
#else
/* 实现不认识 __has_embed 时的替代 */
#endif

用 gcc -std=c11、-std=c17、-std=c2x、加 -DNDEBUG 四种方式编译，把每次的诊断与输出记下来。本机 GCC 13.2 只认 -std=c2x，-std=c23 会报参数错误；而且在 -std=c2x 下它把 __STDC_VERSION__ 定义为 202000L。所以 HAVE_NULLPTR 会算成 0，可 nullptr 照样能用。记录这一现象，并说明用版本号当门槛与按特性本身探测各适合什么场合（后者见 18.3）。

最后回答两个问题：__has_embed 的探测为什么必须再套一层 defined(__has_embed)？去掉外层两行、直接写 #if __has_embed("icon.bin") == __STDC_EMBED_FOUND__ 再编译一次，抄下报错，说明预处理阶段把不认识的 __has_embed 当成了什么。

#11704
⚡5⏳4

某二进制文件格式的记录头如下：tag 为 2 字节、len 为 4 字节、flags 为 2 字节、crc 为 4 字节，全部按小端存放，记录头总共 12 字节。

  1. 用 #pragma pack 定义 struct rec_hdr，用 _Static_assert 约束它的大小为 12。
  2. 再定义一个不加 pack 的同字段结构体，打印两者的大小，并打印 offsetof 得到的 len、crc 偏移。解释两者的差别从何而来。
  3. 把 #pragma pack 的成对写法封装成 PACK_BEGIN、PACK_END 两个宏，用 _Pragma 实现，并说明这里为什么不能用注释里的 #pragma 直接写进宏。
  4. 写一个 struct rec_hdr 对象，用 fwrite 写入文件，读回后用 fread 打印四个字段，核对字节数。
  5. 把每个成员的偏移与手算结果对照：pack 之后 len 应该在第 2 字节、crc 在第 8 字节。再回答：#pragma pack 改变的是成员的布局还是成员的类型？如果读文件的翻译单元漏写了 #pragma pack，而写文件的翻译单元写了，读回来的字段会错在哪里？用一个实验验证你的结论。

本机期望输出（字段为 0x1234、100、0x0001、0xDEADBEEF）：

text
packed=12 natural=16 off_len=2 off_crc=8
1234 100 0001 DEADBEEF
#11705
⚡6⏳4

写一个代码生成器 gen，把数据文件里的一批传感器读数转成完整的 .c 源文件，并用 #line 把数据区的诊断映射回数据文件。生成的源文件要能直接编译运行，不依赖别的工程文件。

数据文件 sensors.dsl 每行是 名称 数值：

text
temp 25
humidity 60
pressure 1013
  1. gen 从命令行接收输入文件与输出文件两个参数，向输出文件写出一个完整的程序：结构体 struct sensor、数组 SENSORS[]、遍历打印的 main。格式不对的行向标准错误报告数据文件名与行号后跳过。
  2. 每条记录写成 {"名称", 数值},，前面各加一行 #line 指令，使该行引发的诊断指向 sensors.dsl 中的原行号。
  3. 数据写完后、main 开始之前，再写一条 #line，把逻辑位置改回生成文件自身。删掉这一条重新生成一次，在 main 里故意引入一个语法错误，比较两次诊断报出的文件名与行号，说明生成器为什么要在数据区结束时复位。
  4. 编译生成的文件并运行，期望输出为三行 名称 = 数值。
  5. 故意把某条记录的数值改成字符串字面量，重新生成、编译，记录报出的文件名与行号，确认它指向数据文件。
  6. 若某条 #line 只写行号、不写文件名，诊断会显示成什么？用一次实验确认。