C語言-標頭檔與前置處理器

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這篇是講C語言前置處理器的使用

簡介

這一個章節要介紹如何撰寫標頭檔，以及如何使用前置處理器

前置處理是在程式編譯之前所做的事，包括引入標頭檔、定義符號常數以及巨集

所有前置處理都是由井字號’#’開始

標頭檔與實作檔

首先我們要先了解程式從撰寫到執行的過程，請看下圖

程式執行過程

程式原始碼在經過編譯器(Compiler)編譯之後會成為目的檔(Object file)

然後多個目的檔透過連結器(Linker)連結之後會形成可執行檔(Executable file)

之後可執行檔經過載入器(Loader)載入到記憶體中執行

當程式越來越龐大的時候，我們會為了保持彈性將單一功能切割為標頭檔跟實作檔

實作檔編譯成目的檔，要使用時再連結起來就行

這樣以後只要有錯誤只要處理小部分的程式

而標頭檔則提供介面，讓使用這段功能的人不用了解實作也能使用程式

以後實作檔改變了，只要重新編譯實作檔然後再連結一次就可以更改程式了

提高程式撰寫的彈性，而連結又分為靜態跟動態連結

這時候就要進入工商時間(推坑時間)啦

可以找程式設計師的自我修養：連結、載入、程式庫這本書來看

可以更了解程式如何連結與執行

詳細可以參考這個連結

以下會寫一個標頭檔，一個實作檔，一個執行檔當作範例

標頭檔 calc.h

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//宣告函數原型
int add(int a,int b); 
int sub(int a,int b);

實作檔 calc.c

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#include "calc.h"

//實作函數
int add(int a,int b){
    return a+b;
}

int sub(int a,int b){
    return a-b;
}

執行檔 main.c

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#include <stdio.h> 
#include "calc.h"
                                                                        
int main() {
                  
    int a = 5,b = 3;
        
    printf("a = %d\n",a);
    printf("b = %d\n",b);
    printf("add(a,b) = %d\n",add(a,b));
    printf("sub(a,b) = %d\n",sub(a,b)); 
        
    return 0; 
    
}

執行結果

a = 5
b = 3
add(a,b) = 8
sub(a,b) = 2

這邊要注意的是，如果是用箭頭<>括起來的標頭檔

會從系統預設的路徑去找標頭檔

而用雙引號””括起來的標頭檔，系統會到被編譯的檔案所在的目錄去找

#define

#define的語法如下

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#define 識別字 代換文字

#define語法會在編譯過程中，將所有識別字都替換為代換文字，例如

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#define PI 3.14159

之後整個程式只要看到’PI’就會自動被替換成3.14159，例如

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double area(double radius){
    return radius * radius * PI;
    //會被代換成 radius * radius * 3.14159;
}

注意這不是宣告常數，所以不要在代換文字前面加上等號’=’

以下是範例程式

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#include <stdio.h> 
#define PI 3.14159
    
double area(double);	
                                                                    
int main() {
                 
    double r; 
    printf("請輸入半徑：");
    scanf("%lf",&r);
    printf("圓面積：%f\n",area(r));
    
    return 0; 
    
}

double area(double radius){
    return radius * radius * PI;
    //會被代換成 radius * radius * 3.14159;
}

執行結果

請輸入半徑：4
圓面積：50.265440

巨集是由#define所定義的運算，跟符號常數一樣都是在編譯的時候代換文字

不同的是巨集可以有引數，以下是計算圓面積的巨集

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#define PI 3.14159
#define AREA(r) ((PI * (x) * (x)))

之後只要寫到AREA()就會自動展開為以下算式

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double area = AREA(4)
// 會被替換成 double area = (3.14159 * (4) * (4))

這邊要小心的是括號問題

如果沒有寫好括號，寫成((PI * x * x))，會展開成以下結果

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double area = AREA(4 + 2)
// 會被替換成 double area = (3.14159*4 + 2*4 + 2)

所以將引數用括號括起來是非常重要的

如果要代換的文字太長，可以使用反斜線\表示下一行還有代換文字

以下是兩整數交換寫成巨集的範例

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#define SWAP(a,b) int c = a; \ 
                  a = b; \
                  b = c;

這邊要強調的是，巨集並不是函數，只是在編譯過程中，將文字取代成代換文字

不使用巨集跟常數符號的時候，可以使用#undef來解除定義

條件編譯

條件編譯可以讓設計者控制哪段程式要怎麼編譯

例如不同作業系統就編譯不同的程式碼，這樣就不用分開成兩個檔案去編譯了

以下是常看得的NULL的條件編譯

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#if !defined(NULL)
    #define NULL 0
#endif

以上判斷NULL是否曾經定義為符號常數，若沒有就定義NULL為0

也可以簡寫成

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#ifndef NULL
    #define NULL 0
#endif

只要是條件編譯都需要用#endif做結尾

另外還有指令#if defined(名稱)，可以簡寫成#ifdef

而如果有多個條件可以使用#elif跟#else，就像if-else一樣

條件編譯常用的用途可以在標頭檔前面看到

這邊再改寫上面標頭檔的實作當作範例

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#ifndef _CALC_H_
#define _CALC_H_

//宣告函數原型
int add(int a,int b); 
int sub(int a,int b);

#endif

實作檔 calc.c

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#include "calc.h"

//實作函數
int add(int a,int b){
    return a+b;
}

int sub(int a,int b){
    return a-b;
}

執行檔 main.c

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#include <stdio.h> 
#include "calc.h"
                                                                        
int main() {
                  
    int a = 5,b = 3;
        
    printf("a = %d\n",a);
    printf("b = %d\n",b);
    printf("add(a,b) = %d\n",add(a,b));
    printf("sub(a,b) = %d\n",sub(a,b)); 
        
    return 0; 
    
}

為什麼這樣寫是為了避免重複引入，例如A標頭檔有引入stdio

B標頭檔也有引入stdio，如果沒有使用條件編譯

這樣會在編譯過程中產生重複宣告的錯誤

所以為了避免重複宣告，利用條件編譯，只要有定義過就不用再定義

以避免錯誤

參考

  1. C語言
  2. C 語言快速導覽 - 標頭檔
  3. C 語言初學教材 - 第六章 設計自己的標頭檔
  4. Re: [問題] 環境設定
  5. Re: [問題] C語言—要怎麼寫標頭檔阿??