嵌入式C語(yǔ)言自我修養(yǎng) 03：宏構(gòu)造利器 - 語(yǔ)句表達(dá)式

3.1 基礎(chǔ)復(fù)習(xí)：表達(dá)式、語(yǔ)句和代碼塊

表達(dá)式

表達(dá)式和語(yǔ)句是 C 語(yǔ)言中的基礎(chǔ)概念。什么是表達(dá)式呢？表達(dá)式就是由一系列操作符和操作數(shù)構(gòu)成的式子。操作符可以是 C 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種算術(shù)運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、賦值運(yùn)算符、比較運(yùn)算符等。操作數(shù)可以是一個(gè)常量，也可以是一個(gè)變量。表達(dá)式也可以沒有操作符，單獨(dú)的一個(gè)常量甚至是一個(gè)字符串，也是一個(gè)表達(dá)式。下面的字符序列都是表達(dá)式：

• 2 + 3
• 2
• i = 2 + 3
• i = i++ + 3
• "wit"

表達(dá)式一般用來(lái)數(shù)據(jù)計(jì)算或?qū)崿F(xiàn)某種功能的算法。表達(dá)式有2個(gè)基本屬性：值和類型。如上面的表達(dá)式2+3，它的值為5。根據(jù)操作符的不同，表達(dá)式可以分為多種類型，如：

• 關(guān)系表達(dá)式
• 邏輯表達(dá)式
• 條件表達(dá)式
• 賦值表達(dá)式
• 算術(shù)表達(dá)式
• ……

語(yǔ)句

語(yǔ)句是構(gòu)成程序的基本單元，一般形式如下：

表達(dá)式 ;
i = 2 + 3 ;

表達(dá)式的后面加一個(gè); 就構(gòu)成了一條基本的語(yǔ)句。編譯器在編譯程序、解析程序時(shí)，不是根據(jù)物理行，而是根據(jù)分號(hào) ; 來(lái)判斷一條語(yǔ)句的結(jié)束標(biāo)記的。如 i = 2 + 3; 這條語(yǔ)句，你寫成下面的形式也是可以編譯通過(guò)的：

i =
2 + 
3
;

代碼塊

不同的語(yǔ)句，使用大括號(hào){}括起來(lái)，就構(gòu)成了一個(gè)代碼塊。C 語(yǔ)言允許在代碼塊里定義一個(gè)變量，這個(gè)變量的作用域也僅限于這個(gè)代碼塊內(nèi)，因?yàn)榫幾g器就是根據(jù){}來(lái)做入棧出棧操作來(lái)管理變量的作用域的。如下面的程序：

int main(void)
{
    int i = 3; 
    printf("i=%d\n",i);
    {
        int i = 4;
        printf("i=%d\n",i);
    }
    printf("i=%d\n",i);
    return 0;
}
運(yùn)行結(jié)果為：
i=3
i=4
i=3

3.2 語(yǔ)句表達(dá)式

語(yǔ)句表達(dá)式的定義

GNU C 對(duì) C 標(biāo)準(zhǔn)作了擴(kuò)展，允許在一個(gè)表達(dá)式里內(nèi)嵌語(yǔ)句，允許在表達(dá)式內(nèi)部使用局部變量、for 循環(huán)和 goto 跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句。這樣的表達(dá)式，我們稱之為語(yǔ)句表達(dá)式。語(yǔ)句表達(dá)式的格式如下：

({ 表達(dá)式1; 表達(dá)式2; 表達(dá)式3; })

語(yǔ)句表達(dá)式最外面使用小括號(hào)()括起來(lái)，里面一對(duì)大括號(hào){}包起來(lái)的是代碼塊，代碼塊里允許內(nèi)嵌各種語(yǔ)句。語(yǔ)句的格式可以是 “表達(dá)式;”這種一般格式的語(yǔ)句，也可以是循環(huán)、跳轉(zhuǎn)等語(yǔ)句。

跟一般表達(dá)式一樣，語(yǔ)句表達(dá)式也有自己的值。語(yǔ)句表達(dá)式的值為內(nèi)嵌語(yǔ)句中最后一個(gè)表達(dá)式的值。我們舉個(gè)例子，使用語(yǔ)句表達(dá)式求值。

int main(void)
{
    int sum = 0;
    sum = 
    ({
        int s = 0;
        for( int i = 0; i < 10; i++)
            s = s + i;
            s;
    });
    printf("sum = %d\n",sum);
    return 0;
}

在上面的程序中，通過(guò)語(yǔ)句表達(dá)式實(shí)現(xiàn)了從1到10的累加求和，因?yàn)檎Z(yǔ)句表達(dá)式的值等于最后一個(gè)表達(dá)式的值，所以在 for 循環(huán)的后面，我們要添加一個(gè) s; 語(yǔ)句表示整個(gè)語(yǔ)句表達(dá)式的值。如果不加這一句，你會(huì)發(fā)現(xiàn) sum=0?；蛘吣銓⑦@一行語(yǔ)句改為100; 你會(huì)發(fā)現(xiàn)最后 sum 的值就變成了100，這是因?yàn)檎Z(yǔ)句表達(dá)式的值總等于最后一個(gè)表達(dá)式的值。

語(yǔ)句表達(dá)式內(nèi)使用 goto 跳轉(zhuǎn)

在上面的程序中，我們?cè)谡Z(yǔ)句表達(dá)式內(nèi)定義了局部變量，使用了 for 循環(huán)語(yǔ)句。在語(yǔ)句表達(dá)式內(nèi)，我們同樣也可以使用 goto 進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。

int main(void)
{
    int sum = 0;
    sum = 
    ({
        int s = 0;
        for( int i = 0; i < 10; i++)
            s = s + i;
            goto here;
            s;  
    });
    printf("sum = %d\n",sum);
here:
    printf("here:\n");
    printf("sum = %d\n",sum);
    return 0;
}

3.3 在宏定義中使用語(yǔ)句表達(dá)式

語(yǔ)句表達(dá)式的亮點(diǎn)在于定義復(fù)雜功能的宏。使用語(yǔ)句表達(dá)式來(lái)定義宏，不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，而且還能避免宏定義帶來(lái)的歧義和漏洞。下面就以一個(gè)宏定義例子，讓我們來(lái)見識(shí)見識(shí)語(yǔ)句表達(dá)式在宏定義中的強(qiáng)悍殺傷力！

假如你此刻正在面試，面試職位是：Linux C 語(yǔ)言開發(fā)工程師。面試官給你出了一道題：

請(qǐng)定義一個(gè)宏，求兩個(gè)數(shù)的最大值。

別看這么簡(jiǎn)單的一個(gè)考題，面試官就能根據(jù)你寫出的宏，來(lái)判斷你的 C 語(yǔ)言功底，來(lái)決定給不給你 Offer。

合格

對(duì)于學(xué)過(guò) C 語(yǔ)言的同學(xué)，寫出這個(gè)宏基本上不是什么難事，使用條件運(yùn)算符就能完成：

#define  MAX(x,y)  x > y ? x : y

這是最基本的 C 語(yǔ)言語(yǔ)法，如果連這個(gè)也寫不出來(lái)，估計(jì)場(chǎng)面會(huì)比較尷尬。面試官為了緩解尷尬，一般會(huì)對(duì)你說(shuō)：小伙子，你很棒，回去等消息吧，有消息，我們會(huì)通知你！這時(shí)候，你應(yīng)該明白：不用再等了，趕緊把這篇文章看完，接著面下家。這個(gè)宏能寫出來(lái)，也不要覺得你很牛 X，因?yàn)檫@只能說(shuō)明你有了 C 語(yǔ)言的基礎(chǔ)，但還有很大的進(jìn)步空間。比如，我們寫一個(gè)程序，驗(yàn)證一下我們定義的宏是否正確：

#define MAX(x,y) x > y ? x : y
int main(void)
{
    printf("max=%d",MAX(1,2));
    printf("max=%d",MAX(2,1));
    printf("max=%d",MAX(2,2));
    printf("max=%d",MAX(1!=1,1!=2));
    return 0;
}

測(cè)試程序嗎，我們肯定要把各種可能出現(xiàn)的情況都測(cè)一遍。這不，測(cè)試第4行語(yǔ)句，當(dāng)宏的參數(shù)是一個(gè)表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果為 max=0，跟我們預(yù)期結(jié)果 max=1 不一樣。這是因?yàn)?，宏展開后，就變成了這個(gè)樣子：

printf("max=%d",1!=1>1!=2?1!=1:1!=2);

因?yàn)楸容^運(yùn)算符 > 的優(yōu)先級(jí)為6，大于 !=（優(yōu)先級(jí)為7），所以展開的表達(dá)式，運(yùn)算順序發(fā)生了改變，結(jié)果就跟我們的預(yù)期不一樣了。為了避免這種展開錯(cuò)誤，我們可以給宏的參數(shù)加一個(gè)小括號(hào)()來(lái)防止展開后，表達(dá)式的運(yùn)算順序發(fā)生變化。這樣的宏才能算一個(gè)合格的宏：

#define MAX(x,y) (x) > (y) ? (x) : (y)

中等

上面的宏，只能算合格，但還是存在漏洞。比如，我們使用下面的代碼測(cè)試：

#define MAX(x,y) (x) > (y) ? (x) : (y)
int main(void)
{
    printf("max=%d",3 + MAX(1,2));
    return 0;
}

在程序中，我們打印表達(dá)式 3 + MAX(1, 2) 的值，預(yù)期結(jié)果應(yīng)該是5，但實(shí)際運(yùn)行結(jié)果卻是1。我們展開后，發(fā)現(xiàn)同樣有問(wèn)題：

3 + (1) > (2) ? (1) : (2);

因?yàn)檫\(yùn)算符 + 的優(yōu)先級(jí)大于比較運(yùn)算符 >，所以這個(gè)表達(dá)式就變?yōu)?>2?1:2，最后結(jié)果為1也就見怪不怪了。此時(shí)我們應(yīng)該繼續(xù)修改這個(gè)宏：

#define MAX(x,y) ((x) > (y) ? (x) : (y))

使用小括號(hào)將宏定義包起來(lái)，這樣就避免了當(dāng)一個(gè)表達(dá)式同時(shí)含有宏定義和其它高優(yōu)先級(jí)運(yùn)算符時(shí)，破壞整個(gè)表達(dá)式的運(yùn)算順序。如果你能寫到這一步，說(shuō)明你比前面那個(gè)面試合格的同學(xué)強(qiáng)，前面那個(gè)同學(xué)已經(jīng)回去等消息了，我們接著面試下一輪。

良好

上面的宏，雖然解決了運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)帶來(lái)的問(wèn)題，但是仍存在一定的漏洞。比如，我們使用下面的測(cè)試程序來(lái)測(cè)試我們定義的宏：

#define MAX(x,y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
int main(void)
{
    int i = 2;
    int j = 6;
    printf("max=%d",MAX(i++,j++));
    return 0;
}

在程序中，我們定義兩個(gè)變量 i 和 j，然后比較兩個(gè)變量的大小，并作自增運(yùn)算。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn) max = 7，而不是預(yù)期結(jié)果 max = 6。這是因?yàn)樽兞?i 和 j 在宏展開后，做了兩次自增運(yùn)算，導(dǎo)致打印出 i 的值為7。

遇到這種情況，那該怎么辦呢？ 這時(shí)候，語(yǔ)句表達(dá)式就該上場(chǎng)了。我們可以使用語(yǔ)句表達(dá)式來(lái)定義這個(gè)宏，在語(yǔ)句表達(dá)式中定義兩個(gè)臨時(shí)變量，分別來(lái)暫儲(chǔ) i 和 j 的值，然后進(jìn)行比較，這樣就避免了兩次自增、自減問(wèn)題。

#define MAX(x,y)({     \
    int _x = x;        \
    int _y = y;        \
    _x > _y ? _x : _y; \
})
int main(void)
{
    int i = 2;
    int j = 6;
    printf("max=%d",MAX(i++,j++));
    return 0;
}

在語(yǔ)句表達(dá)式中，我們定義了2個(gè)局部變量 _x、_y 來(lái)存儲(chǔ)宏參數(shù) x 和 y 的值，然后使用 _x 和 _y 來(lái)比較大小，這樣就避免了 i 和 j 帶來(lái)的2次自增運(yùn)算問(wèn)題。

你能堅(jiān)持到了這一關(guān)，并寫出這樣自帶 BGM 的宏，面試官心里可能已經(jīng)有了給你 Offer 的意愿了。但此時(shí)此刻，千萬(wàn)不要驕傲！為了徹底打消面試官的心理顧慮，我們需要對(duì)這個(gè)宏繼續(xù)優(yōu)化。

優(yōu)秀

在上面這個(gè)宏中，我們定義的兩個(gè)臨時(shí)變量數(shù)據(jù)類型是 int 型，只能比較兩個(gè)整型的數(shù)據(jù)。那對(duì)于其它類型的數(shù)據(jù)，就需要重新再定義一個(gè)宏了，這樣太麻煩了！我們可以基于上面的宏繼續(xù)修改，讓它可以支持任意類型的數(shù)據(jù)比較大?。?/p>

#define MAX(type,x,y)({     \
    type _x = x;        \
    type _y = y;        \
    _x > _y ? _x : _y; \
})
int main(void)
{
    int i = 2;
    int j = 6;
    printf("max=%d\n",MAX(int,i++,j++));
    printf("max=%f\n",MAX(float,3.14,3.15));
    return 0;
}

在這個(gè)宏中，我們添加一個(gè)參數(shù)：type，用來(lái)指定臨時(shí)變量 _x 和 _y 的類型。這樣，我們?cè)诒容^兩個(gè)數(shù)的大小時(shí)，只要將2個(gè)數(shù)據(jù)的類型作為參數(shù)傳給宏，就可以比較任意類型的數(shù)據(jù)了。如果你能在面試中，寫出這樣的宏，面試官肯定會(huì)非常高興，他一般會(huì)跟你說(shuō)：稍等，待會(huì) HR 會(huì)跟你談待遇問(wèn)題。

還能不能更牛逼？

如果你想薪水拿得高一點(diǎn)，待遇好一點(diǎn)，此時(shí)不應(yīng)該驕傲，你應(yīng)該大手一揮：且慢，我還可以更牛逼！

上面的宏定義中，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)type類型參數(shù)，來(lái)兼容不同的數(shù)據(jù)類型，此時(shí)此刻，為了薪水，我們應(yīng)該把這個(gè)也省去。如何做到？使用typeof就可以了，typeof是GNU C新增的一個(gè)關(guān)鍵字，用來(lái)獲取數(shù)據(jù)類型，我們不用傳參進(jìn)去，讓typeof直接獲取！

#define max(x, y) ({    \
    typeof(x) _x = (x); \
    typeof(y) _y = (y); \
    (void) (&_x == &_y);\
    _x > _y ? _x : _y; })

在這個(gè)宏定義中，使用了 typeof 關(guān)鍵字用來(lái)獲取宏的兩個(gè)參數(shù)類型。干貨在(void) (&x == &y);這句話，簡(jiǎn)直是天才般的設(shè)計(jì)！一是用來(lái)給用戶提示一個(gè)警告，對(duì)于不同類型的指針比較，編譯器會(huì)給一個(gè)警告，提示兩種數(shù)據(jù)類型不同；二是，當(dāng)兩個(gè)值比較，比較的結(jié)果沒有用到，有些編譯器可能會(huì)給出一個(gè)warning，加個(gè)(void)后，就可以消除這個(gè)警告！

此刻，面試官看到你的這個(gè)宏，估計(jì)會(huì)倒吸一口氣：乖乖，果然是后生可畏，這家伙比我還牛逼！你等著，HR待會(huì)過(guò)來(lái)跟你談薪水！

恭喜你，拿到offer了！

3.4 語(yǔ)句表達(dá)式在 Linux 內(nèi)核中的使用

語(yǔ)句表達(dá)式，作為 GNU C 對(duì) C 標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)擴(kuò)展，在內(nèi)核中，尤其是在內(nèi)核的宏定義中，被大量的使用。使用語(yǔ)句表達(dá)式定義宏，不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，還可以避免宏定義帶來(lái)的一些歧義和漏洞。比如在 Linux 內(nèi)核中，max_t 和 min_t 的宏定義，就使用了語(yǔ)句表達(dá)式：

#define min_t(type, x, y) ({            \
    type __min1 = (x);          \
    type __min2 = (y);          \
    __min1 < __min2 ? __min1 : __min2; })

#define max_t(type, x, y) ({            \
    type __max1 = (x);          \
    type __max2 = (y);          \
    __max1 > __max2 ? __max1 : __max2; })

除此之外，在 Linux 內(nèi)核、GNU 開源軟件中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，還有大量的宏定義使用了語(yǔ)句表達(dá)式。通過(guò)本節(jié)教程的學(xué)習(xí)，相信大家以后再碰到這種使用語(yǔ)句表達(dá)式定義的宏，肯定就知道是怎么回事了，心中有丘壑，再也不用慌。

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