• 【BOOST C++】教程3：变量和宏

    目录

    一、提要

    二、将可以变长度的参数传递给宏

    三、多行宏 Multiline macros in C

    四、CRASH() 宏——解释

    五、带开关的宏（ OFFSETOF() macro）

    六、带分支预测的宏（Branch prediction macros in GCC）

    一、提要

            只学习一个C语言可能“没用”，但是如果你是搞AI的，或是深度学习、或是自动驾驶、或是机器人，达到一定程度，都能发现C++的不足。因此，凡是搞人工智能的，业余时间磨一磨C++是有益的。

            在C语言中，宏是较难掌握的要点。凡涉及到宏的语句，必须写上好几遍才能正确。本文介绍BOOST C++的宏几个用法，比传统C又有许多特点。

    二、将可以变长度的参数传递给宏

            像函数一样，我们也可以将可变长度参数传递给宏。为此，我们将使用以下预处理器标识符。
            为了支持宏中的可变长度参数，我们必须在宏定义中包含省略号 (...)。还有“__VA_ARGS__”预处理标识符，它负责提供给宏的可变长度参数替换。连接运算符##（又名粘贴运算符）用于连接变量参数。
            让我们用例子来看看。下面的宏采用可变长度参数，如“printf()”函数。此宏用于错误记录。宏打印文件名后跟行号，最后打印信息/错误消息。第一个参数“prio”决定消息的优先级，即是信息消息还是错误，“stream”可以是“标准输出”或“标准错误”。它在 stdout 上显示 INFO 消息，在 stderr 流上显示 ERROR 消息。

    参考代码：

    1. #include 
    2.  
    3. #define INFO     1
    4. #define ERR       2
    5. #define STD_OUT    stdout
    6. #define STD_ERR    stderr
    7.  
    8.  
    9. #define LOG_MESSAGE(prio, stream, msg, ...) do {\
    10.      char *str;\
    11.     if (prio == INFO)\
    12.        str = "INFO";\
    13.     else if (prio == ERR)\
    14.        str = "ERR";\
    15.        fprintf(stream, "[%s] : %s : %d : "msg" \n", \
    16.           str, __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__);\
    18.                     } while (0)
    19.  
    20. int main(void)
    21. {
    22.     char *s = "Hello";
    23.  
    24.         /* display normal message */
    25.     LOG_MESSAGE(ERR, STD_ERR, "Failed to open file");
    26.  
    27.     /* provide string as argument */
    28.     LOG_MESSAGE(INFO, STD_OUT, "%s Geeks for Geeks", s);
    29.     /* provide integer as arguments */
    30.     LOG_MESSAGE(INFO, STD_OUT, "%d + %d = %d", 10, 20, (10 + 20));
    31.     return 0;
    32. }

            编译并运行上面的程序，它会产生以下结果。

    三、多行宏 Multiline macros in C

            在本文中，我们将讨论如何编写多行宏。我们可以写出类似函数的多行宏，但每条语句都以“\”结尾。让我们用例子来看看。下面是一个简单的宏，它接受用户输入的数字，并打印输入的数字是偶数还是奇数。

    1. #include 
    2.  
    3. #define MACRO(num, str) {\
    4.             printf("%d", num);\
    5.             printf(" is");\
    6.             printf(" %s number", str);\
    7.             printf("\n");\
    8.            }
    9.  
    10. int main(void)
    11. {
    12.     int num;
    13.     printf("Enter a number: ");
    14.     scanf("%d", &num);
    15.     if (num & 1)
    16.         MACRO(num, "Odd");
    17.     else
    18.         MACRO(num, "Even");
    19.     return 0;
    20.  
    21. }

    乍一看，代码看起来不错，但是当我们尝试编译这段代码时，它给出了编译错误。

    [narendra@/media/partition/GFG]$ make macro
cc     macro.c   -o macro
macro.c: In function ‘main’:
macro.c:19:2: error: ‘else’ without a previous ‘if’
make: *** [macro] Error 1
[narendra@/media/partition/GFG]$

            让我们看看我们在编写宏时犯了什么错误。我们将宏括在花括号中。根据 C 语言规则，每个 C 语句都应该以分号结尾。这就是为什么我们用分号结束 MACRO。这是一个错误。让我们看看 compile 是如何扩展这个宏的。

    if (num & 1)
{
    -------------------------
    ---- Macro expansion ----
    -------------------------
};    /* Semicolon at the end of MACRO, and here is ERROR */

else 
{
   -------------------------
   ---- Macro expansion ----
   -------------------------

};

            我们用分号结束了宏。当编译器扩展宏时，它会在“if”语句之后放置分号。由于“if 和 else 语句”之间的分号，编译器给出了编译错误。如果我们忽略“其他”部分，上述程序将正常工作。

            为了克服这个限制，我们可以将宏包含在“do-while(0)”语句中。我们修改后的宏将如下所示。

    1. #include 
    2.  
    3. #define MACRO(num, str) do {\
    4.             printf("%d", num);\
    5.             printf(" is");\
    6.             printf(" %s number", str);\
    7.             printf("\n");\
    8.            } while(0)
    9.   
    10. int main(void)
    11. {
    12.  
    13.     int num;
    14.     printf("Enter a number: ");
    15.     scanf("%d", &num);
    16.     if (num & 1)
    17.         MACRO(num, "Odd");
    18.     else
    19.         MACRO(num, "Even");
    20.     return 0;
    21.  
    22. }

    编译并运行上面的代码，现在这段代码可以正常工作了。

    [narendra@/media/partition/GFG]$ make macro
cc     macro.c   -o macro
[narendra@/media/partition/GFG]$ ./macro 
Enter a number: 9
9 is Odd number
[narendra@/media/partition/GFG]$ ./macro 
Enter a number: 10
10 is Even number
[narendra@/media/partition/GFG]$

            我们在“do – while(0)”循环中包含了宏，并且在while结束时，我们将条件设置为“while(0)”，这就是为什么这个循环只会执行一次。

            类似地，我们可以将多行宏括在括号中，而不是“do – while(0)”循环。通过使用这个技巧，我们可以达到同样的效果。让我们看看例子。

    1. #include 
    2.  
    3.   
    4.  
    5. #define MACRO(num, str) ({\
    6.             printf("%d", num);\
    7.             printf(" is");\
    8.             printf(" %s number", str);\
    9.             printf("\n");\
    10.            })
    11.  
    12.   
    13.  
    14. int main(void)
    15. {
    16.     int num;
    17.    printf("Enter a number: ");
    18.     scanf("%d", &num);
    19.  
    20.     if (num & 1)
    21.         MACRO(num, "Odd");
    22.     else
    23.         MACRO(num, "Even");
    24.     return 0;
    25.  
    26. }
    [narendra@/media/partition/GFG]$ make macro
cc     macro.c   -o macro
[narendra@/media/partition/GFG]$ ./macro 
Enter a number: 10
10 is Even number
[narendra@/media/partition/GFG]$ ./macro 
Enter a number: 15
15 is Odd number
[narendra@/media/partition/GFG]$

            本文由 Narendra Kangralkar 编译。如果您发现任何不正确的地方，或者您想分享有关上述主题的更多信息，请写下评论。

    四、CRASH() 宏——解释

    下面给出了来自开源项目的一小段代码

    1. #ifndef __cplusplus
    2.  
    3. typedef enum BoolenTag
    4. {
    5.    false,
    6.    true
    7. } bool;
    8.   
    9. #endif
    10.  
    11. #define CRASH() do { \
    12.       ((void(*)())0)(); \
    13.    } while(false)
    14.  
    15. int main()
    16. {
    17.    CRASH();
    18.    return 0;
    19. }

            你能解释一下上面的代码吗？很简单，下面给出一步一步的方法，语句 while(false) 仅用于测试目的。考虑以下操作，

    ((void(*)())0)();

    可以如下实现，

    0;                      /* literal zero */
(0); ( ()0 );                /* 0 being casted to some type */
( (*) 0 );              /* 0 casted some pointer type */
( (*)() 0 );            /* 0 casted as pointer to some function */
( void (*)(void) 0 );   /* Interpret 0 as address of function 
 taking nothing and returning nothing */
( void (*)(void) 0 )(); /* Invoke the function */

            因此，给定的代码正在调用其代码存储在位置零的函数，换句话说，尝试执行存储在位置零的指令。在具有内存保护 (MMU) 的系统上，操作系统将抛出异常（分段错误），而在没有这种保护的系统（小型嵌入式系统）上，它将执行并且错误将进一步传播。

    五、带开关的宏（ OFFSETOF() macro）

            我们知道结构中的元素将按其声明的顺序存储。如何提取结构中元素的位移？我们可以使用 offsetof 宏。通常我们将结构和联合类型（或具有普通构造函数的类）称为普通旧数据 (POD) 类型，它们将用于聚合其他数据类型。以下非标准宏可用于从结构变量的基地址获取元素的位移（以字节为单位）。

    #define OFFSETOF(TYPE, ELEMENT) ((size_t)&(((TYPE *)0)->ELEMENT))

            零被转换为结构类型并访问所需元素的地址，该地址被转换为 size_t。根据标准，size_t 是 unsigned int 类型。整体表达式会产生在结构中放置 ELEMENT 之后的字节数。例如，以下代码返回 16 个字节（在 32 位机器上考虑填充）作为结构 Pod 中字符变量 c 的位移。

    • C++
    • C

            在上面的代码中，以下表达式将返回结构 PodType 中元素 c 的位移。

    OFFSETOF(PodType, c);

    在预处理阶段之后，上述宏扩展为

    • c

    ((size_t)&(((PodType *)0)->c))

            由于我们将 0 视为结构变量的地址，因此 c 将放置在其基地址的 16 个字节之后，即 0x00 + 0x10。对结构元素（在本例中为 c）应用 & 会返回元素的地址，即 0x10。将地址转换为 unsigned int (size_t) 会导致元素放置在结构中的字节数。注意：我们可能认为地址运算符 & 是多余的。如果宏中没有地址运算符，代码会取消引用位于 NULL 地址的结构元素。它会在运行时导致访问冲突异常（分段错误）。请注意，根据编译器行为，还有其他方法可以实现 offsetof 宏。最终目标是提取元素的位移。我们将在另一篇文章中看到在喜欢的列表中使用 offsetof 宏来连接相似对象（例如线程池）的实际用法。文基编译的文章。如果您发现任何不正确的地方，或者您想分享有关上述主题的更多信息，请写下评论。参考：

    1. Linux Kernel code. 2. offsetof Macro | Microsoft Docs 3. GNU C/C++ Compiler Documentation

    六、带分支预测的宏（Branch prediction macros in GCC）

            Linux 内核中最常用的优化技术之一是“__builtin_expect”。在使用条件代码（if-else 语句）时，我们通常知道哪个分支是真的，哪个不是。如果编译器提前知道这些信息，它可以生成最优化的代码。 让我们看看 linux 内核代码中“likely()”和“unlikely()”宏的宏定义“LXR linux/include/linux/compiler.h” [line no 146 and 147].

    #define likely(x)      __builtin_expect(!!(x), 1)

    #define unlikely(x)    __builtin_expect(!!(x), 0)

    在以下示例中，我们将分支标记为可能为真：

    const char *home_dir ;

      

    home_dir = getenv("HOME");

    if (likely(home_dir)) 

        printf("home directory: %s\n", home_dir);

    else

        perror("getenv");

            对于上面的例子，我们将“if”条件标记为“likely()”为真，因此编译器将在分支之后立即放置真代码，而在分支指令中放置假代码。这样编译器就可以实现优化。但不要盲目使用“likely()”和“unlikely()”宏。如果预测正确，则说明跳转指令的周期为零，但如果预测错误，则需要几个周期，因为处理器需要刷新它的管道，这比没有预测更糟糕。

            与其他 CPU 操作相比，访问内存是最慢的 CPU 操作。为了避免这种限制，CPU 使用“CPU 缓存”，例如 L1-cache、L2-cache 等。缓存背后的想法是，将部分内存复制到 CPU 本身。我们可以比任何其他内存更快地访问缓存内存。但问题是，“缓存内存”的大小有限，我们无法将整个内存复制到缓存中。因此，CPU 必须猜测在不久的将来将使用哪个内存并将该内存加载到 CPU 缓存中，上面的宏提示将内存加载到 CPU 缓存中。

            本文由 Narendra Kangralkar 编译。如果您发现任何不正确的地方，或者您想分享有关上述主题的更多信息，请写下评论。

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