刚学 C++ 的时候，就知道它糅合了四种编程模式：基于预处理器的宏、基于 C 语言的面向过程、基于类的面向对象、以及基于模板的泛型编程。其中，宏和模板元编程因为是在编译期出结果，能有效提升程序运行期性能，有着独特的价值。 之前了解的宏编程，大多数在数说它的缺陷，以及如何避免，以下面的宏为例 参数要用括号包围，例如 max(2+1,2) 宏表达式要用括号包围，例如 max(1,2)*3 多次求值，例如 max(n++,2) 多个语句的宏应该用 do{}while(0) 包含，例如 if (x>y) SWAP(x,y)，其中 SWAP 宏的实现至少需要三条语句 不受命名空间限制，命名易冲突，例如参数名也使用 max 时会被展开 总而言之就是少用宏、不用宏，为此想出了各种方式来替代宏： typedef 与 using 定义类型别名 inline 函数内联短小函数提升执行效率 即使是使用宏，也加入很多改进，例如 GNU C 引入了 typeof 关键字，来解决参数多次求值、未被括号包围等问题 宏很像结构化编程中的 goto 语句，不能说过街老鼠，也是日暮西山了。 直到我看了一篇文章：《 C/C++ 宏编程的艺术 》，才发现宏原来还可以这么玩。 作者 BOT Man 主要是谈 GMOCK_PP 库中各个宏的依赖关系，我整理如下： 复杂的如 PP_WHILE->PP_ADD/PP_SUB->PP_MUL->PP_EQUAL/PP_CMP->PP_LESS->PP_DIV/PP_MOD，就没画了，主要是没看懂~ 另外，使用宏实现 256 以内的算术运算，有什么实际意义吗？我是持保留态度的。 本文不会鹦鹉学舌再重复一遍 BOT Man 论证过的逻辑，而是梳理下预处理器的工作原理与宏编程遵循的规则，有一些是之前没注意到的，总结出来自己都感觉新鲜，呵呵。 宏虽然只进行文本替换，没有类型的概念，但也有以下基本的语法规则 宏参数使用逗号分隔，因此参数不能再包含逗号，除非使用元组 非可变参数的宏函数，参数个数必需严格匹配声明 对于规则 I，有些读者可能觉得没必要，毕竟参数名中也不可能有逗号，但是别忘了参数也可能是模板的实例，像下面这样： 第二个模板参数中的逗号会使 FOO 的参数个数变为 3，从而导致预处理器报错： 这里使用了 BOT Man 也推荐的 Compile Explorer 在线编译环境，编译器选择的是 x86-64 gcc trunk 、编译参数是 -E -P -std=c++20 ，后面统一使用这个设置进行测试。 上例中如果使用元组，就不会报错了： 结果多了一对儿括号，追求完美的人，可以使用 PP_REMOVE_PARENS 去除，这个宏的实现，后面还会涉及，现在先不展开。 对于规则 III，简单补充下宏的 4 种形态、以及规则的应用情况： 宏运行时遵循的规则先都列出来： 预处理器会对代码进行多遍扫描，展开所有遇到的宏，直到触发以下条件 到达展开次数上限 遇到自参照宏，即宏曾经展开过的模样 遇到自参照宏，即宏曾经展开过的模样 宏函数展开前先对所有参数进行一次预扫描并展开，除非遇到以下条件 用于拼接的参数不展开 (##) 用于宏字面量的参数不展开 (#) 用于拼接的参数不展开 (##) 用于宏字面量的参数不展开 (#) 在宏函数展开后，替换后的文本会进行后扫描 (二次扫描)，对遇到的宏继续进行展开 预扫描和后扫描都遵循条件 a，会进行多遍扫描 每次扫描前后，都会进行宏的语法检查 这是一个循环定义，X0->X1->X2->X3->X0，输出已列在代码注释， 貌似什么也没发生，以 X0 为准，看下整个替换过程： 这时 X0 的定义变为为 X1，整个过程列表如下： 换句话说，预处理器会 记录每个宏每次展开的历史值 ，避免与之重复，从而产生无限循环。 这个特性，导致 宏无法进行任何递归或重入 ，要进行任何推导，必需辛辛苦苦写 MACRO_1 / MACRO_2 ... MACRO_N 的代码，且 N 一般有上限。这是和模板元编程区别最大的地方，后者可以重载，进行模板偏特化，从而直接指定推导的结束条件。 上面的例子中预处理器扫描了 4~5 次，为了考察它的扫描次数上限，使用下面的 shell 脚本批量制造测试代码： mac 上的 pbcopy 负责将代码复制到剪贴板，也可以直接重定向到文件再复制出来。在 Compiler Explorer 中运行： 居然没问题，看起来 10000 并不是上限。切换编译器为 x86-64 clang (trunk) 也正常，直到 x64 msvc v19.latest 时失败： 经过多次探测，msvc 最终的最大宏定义是 X255，也就是说扫描次数最大为 256。 不过 Compiler Explorer 上提供的 msvc 最新只到 VS2017，不过用实体机上的 VS2019 测试，结果也是一样的，看起来 msvc 对宏编程支持一般，怪不道 BOT Man 说 BOOST_PP 里有很多对 msvc 的兼容和 work around，汗~ 规则 b 使用 BOT Man 的例子就不错： 如果参数是用于拼接或取字面量的，预扫描将不会对它进行展开。

注意，这里预处理器对宏参数的预扫描，也遵循规则 a，即在没有 ## 和 # 干扰时，它会一直展开直到 1) 达到最大展开次数 2)遇到自参照宏 时结束，并不是字面意思只扫描一次，这条就是规则 d。 如果希望预处理器忽略 ## & # 操作展开所有传入的宏函数参数，则需借助延迟拼接技术，这个技术听起来很高大上，其实原理很简单，直白说就是不直接实现宏函数而是调用另一个宏函数实现之： 一般命名此类宏函数的惯例是： MACRO & MACRO_IMPL ，后者就是真正干活的宏了。下面列表推理下展开过程： 另外一个有实战意义的例子是在 Windows 上常用的宽字符前缀 L，如果定义一个 TO_UNICODE 的宏为任意窄字符串增加 L 前缀，可以这样做： 使用 TO_UNICODE 宏为字符常量添加 L 前缀时，如果作用于常量字符串，是正常的；如果作用于经过宏定义的字符串 ( PRODUCT_NAME )，基于规则 b.i 就会出现非预期结果 ( LPRODUCT_NAME )，为了解决 L 拼接时宏不展开的问题，就需要借助延迟拼接技术： 关于这个例子，具体可参考附录 7。 惰性求值与后处理相关，技术不难理解，难的是场景不好说明，先来看一个宏语法错误： 第一个表达式出错，是错在预扫描前进行的语法检查，此时 PP_COMMA() 还未替换为 ',' 整个是一个参数： x PP_COMMA() y ， PP_CONCAT 要求 2 个参数而只提供了 1 个； 第二个表达式出错，是错在预扫描后进行的语法检查，此时 PP_COMMA() 替换为了 ',' 整个是三个参数： x 、 空 、 空 ， PP_CONCAT 要求 2 个参数而提供了 3 个。 也就是说，宏的语法检查是时刻进行的，在每次替换前后都会进行，这就是规则 e。 有了这个基础，再看下面这个例子，它更贴近真实场景： 重点是 log 宏函数的实现，委托给了 printf，在格式 format 与参数 __VA_ARGS__ 之间，要不要加个逗号做分隔，完全看用户传递的参数个数，大于 0 则需要，否则不需要，不然后期会出现编译期语法错误。 这里为了简化例子，参数个数是用户手动传递的，参考上面的两个 case，分别有 2 个参数和 0 个参数。 现在焦点就集中在 PP_COMMA_IF 宏的实现上了，它根据 n 的值，决定输出 PP_COMMA()，还是 PP_EMPTY()，这之前那一堆宏都是为了实现 PP_IF，看不懂也没关系。 到这里似乎没有什么问题，然而编译却报错： 错误有点不知所云，列个表推理下宏展开过程，先看第一个 case： 推导显示是在 PP_IF 处报错，实际报错信息显示是 PP_IF_1 ，预处理器似乎走的更远，切换为 clang 看得更明白： PP_COMMA() 似乎是延迟到 PP_IF_1 中后才展开，这个和我的理解有 gap，有了解的大神还望不吝指点。 不管怎么说，预扫描展开宏函数参数导致参数个数不匹配，导致了这个问题，而我们又不打算拼接参数或取字面量，所以无法通过规则 b 解决问题。 好在传递给 PP_IF 的这两个参数，都是宏函数，这种场景下可以只传递宏函数名，括号放在 PP_IF 后，让宏函数在后扫描中再生效： 这就是规则 c，现在能得到正确的结果了： 下面仍为第一个 case 为例，推理下整个展开过程： 出于练习目的，再看下第二个 case： 其实主要区别就是 PP_IF_1 与 PP_IF_0 选择 PP_COMMA 还是 PP_EMPTY 的问题。将预扫描变为后扫描，是惰性求值的关键。 与模板元编程相比，由于规则 a.ii 宏无法递归和重入，要想支持多个参数，必需老老实实先写 N 个 #define，比较笨。反过来的好处是，他不会生成编译实体，对于控制代码体积有帮助。 最后借用 BOT Man 的话对两者做个总结： C++ 模板元编程 (template metaprogramming) 虽然功能强大，但也有 局限性 ： 不能通过 模板展开 生成新的 标识符 (identifier) 例如 生成新的 函数名、类名、名字空间名 等 使用者 只能使用 预先定义的标识符 例如 生成新的 函数名、类名、名字空间名 等 使用者 只能使用 预先定义的标识符 不能通过 模板参数 获取 符号/标记 (token) 的 字面量 (literal) 例如 在反射中获取 实参参数名的字面量，在断言中获取 表达式的字面量 使用者 只能通过 传递字符串参数 绕开 例如 在反射中获取 实参参数名的字面量，在断言中获取 表达式的字面量 使用者 只能通过 传递字符串参数 绕开 所以，在需要直接 操作标识符 的情况下，还需要借助 宏 ，进行 预处理阶段的元编程 ： 和 编译时 (compile-time) 的 模板 展开不同， 宏 在编译前的 预处理 (preprocess) 阶段全部展开 —— 狭义上，编译器 看不到且不处理 宏代码 通过 #define / TOKEN1##TOKEN2 / #TOKEN 定义 宏对象 (object-like macro) 和 宏函数 (function-like macro) ，可以实现 替换文本、拼接标识符、获取字面量 等功能 总结一下就是 ：各有所长、结合使用 。 BOT Man 主要介绍的是 Mock PP 库，它是 Boost PP 库的精减版，后者有更为强大的代码生成能力，感兴趣的读者可以进一步探索，这里只举几个例子： 看看有没有满足你需求的 (我也没看懂原理，库嘛，拿来用就好了)。 [1]. 360 安全规则集合 [2]. C++ 下 typeof 的实现 [3]. Replacing text macros [4]. C/C++ 宏编程的艺术 [5]. 《产生式元编程》第一章 宏编程计数引原理 [6]. Self-Referential Macros [7]. 使用C++宏嵌套实现窄字符转换为宽字符 [8]. Boost Preprocessor (PP库) 中的奇技淫巧 本文来自博客园，作者： goodcitizen ，转载请注明原文链接： https://www.cnblogs.com/goodcitizen/p/18655303/macro_knowledges_what_you_dont_know