Зачем нужны все эти круглые скобки

Вам может показаться странным, что в макросах используется так много круглых скобок. На самом деле препроцессор совсем не требует, чтобы вокруг параметров в строке подстановки ставились круглые скобки, но эти скобки помогают избежать нежелательных побочных эффектов при передаче макросу сложных значений. Например, если определить МАХ как

#define MAX(x,y) x > у ? x : у

и передать значения 5 и 7, то макрос МАХ будет нормально работать. Но если передать более сложные выражения, можно получить неожиданные результаты, как показано в листинге 21.2.

Листинг 21.2. Использование в макросе круглых скобок

1: // Листинг 21.2. Использование в макросе круглых скобок

2: #include <iostream.h>

3:

4: #define CUBE(a) ( (а) * (а) << (а) )

5: #define THREE(a) а * а * а 6:

7: int main()

8: {

9: long x = 5;

10: long у = CUBE(x);

11: long z = THREE(x);

12:

13: cout << "у: " << у << endl;

14: cout << "z: " << z << endl;

15:

16: long а = 5, b = 7;

17: у = CUBE(a+b);

18: z = THREE(a+b);

19:

20: cout << "у: " << у << endl;

21: cout << "z: " << z << endl;

22: return 0;

23: }

Результат:

у: 125

z: 125

у: 1728

z: 82

Анализ: В строке 4 определяется макрос CUBE с параметром x, который заключается в круглые скобки при каждом его использовании в выражении. В строке 5 определяется макрос THREE, параметр которого используется без круглых скобок.

При первом использовании этих макросов параметру передается значение 5, и оба макроса прекрасно справляются со своей работой. Макрос CUBE(5) преобразуется в выражение ( (5) * (5) * (5) ), которое при вычислении дает значение 125, а макрос THREE(5) преобразуется в выражение 5 * 5 * 5, которое также возвращает значение 125.

При повторном обращении к этим макросам в строках 16—18 параметру передается выражение 5 + 7. В этом случае макрос CUBE(5+7) преобразуется в следующее выражение:

( (5+7) * (5+7) * (5+7) )

Оно соответствует выражению

( (12) * (12) * (12) )

При вычислении этого выражения получаем значение 1728. Однако макрос THREE(5+7) преобразуется в выражение иного вида:

5 + 7 * 5 + 7 * 5 + 7

А поскольку операция умножения имеет более высокий приоритет по сравнению с операцией сложения, то предыдущее выражение эквивалентно следующему:

5 + (7 * 5) + (7 * 5) + 7

После вычисления произведений в круглых скобках получаем выражение

5 + (35) + (35) + 7

После суммирования оно возвращает значение 82.

Макросы в сравнении с функциями шаблонов

При работе с макросами и языке C++ можно столкнуться с четырьмя проблемами. Первая состоит в возможных неудобствах при увеличении самого выражения макроса, поскольку любой макрос должен быть определен в одной строке. Безусловно, эту строку можно продлить с помощью символа обратной косой черты (\), но большие макросы сложны для понимания и с ними трудно работать.

Вторая проблема состоит в том, что макросы выполняются путем подстановки их выражений в код программы при каждом вызове. Это означает, что если макрос используется 12 раз, то столько же раз н вашу программу будет вставлено соответствующее выражение (вместо одного раза, как при обращении к обычной функции). Хотя, с другой стороны, подставляемые выражения обычно работают быстрее, чем вызовы функций, поскольку не тратится время па само обращение к функции.

Тот факт, что макросы выполняются путем подстановки выражений в код программы, приводит к третьей проблеме, которая проявляется в том, что макросы отсутствуют в исходном коде программы, используемом компилятором для ее тестирования. Это может существенно затруднить отладку программы.

Однако наиболее существенна последняя проблема: в макросах не поддерживается контроль за соответствием типов данных. Хотя возможность использования в макросе абсолютно любого параметра кажется удобной, этот факт полностью подрывает строгий контроль типов в C++ и является проклятием для программистов на C++. Конечно, существует корректный способ решить и эту проблему — нужно воспользоваться услугами шаблонов, как было показано на занятии 19.

Подставляемые функции

Часто вместо макросов удобно объявить подставляемую функцию. Например, в листинге 21.3 создается функция CUBE, которая выполняет ту же работу, что и макрос CUBE в листинге 21.2, но в данном случае это делается способом, обеспечивающим контроль за соответствием типов.

Листинг 21.3. Использование подставляемой функции вместо макроса

1: #include <iostream.h>

2:

3: inline unsigned long Square(unsigncd long а) { return а * а; }

4: inline unsigned long Cubo(unsigned long а)

5: { return а * а * а; }

6: int main()

7: {

8: unsigned long x=1 ;

9: for (;;)

10: {

11: cout << "Enter а number (0 to quit): ";

12: cin >> x;

13: if (x == 0)

14: break;

15: cout << "You entered: " << x;

16: cout << ". Square(" << x << "): ";

17: cout << Square(x);

18: cout<< ". Cube(" << x << "): ";

19: cout << Cube(x) << "." << endl;

20: }

21: return 0;

22: }

Результат:

Enter а number (0 to quit) 1

You ent.erod: 1. Square(1) 1. Cube(1): 1.

Enter а number (0 t.o quit) 2

You entered: 2. Square(2) 4. Cube(2): 8

Enter a number (0 t.o quit.) 3

You enlered: 3. Square(3) 9. Cube(3): 27.

Enter a number (0 to quit) 4

You entered: 4. Squate(4) 16 Cube(4) 64.

Enter a number (0 to quit) 5

You entered: 5, Squate(5) 25 Cubo(5) 125

Enter a number (0 to qu.it) 6

You entered: 6. Squaro(6) 36 Cube(6) 216

Enter a number (0 to quit) 0

Анализ: В строках 3 и 4 определяются две подставляемые функции: Square() и Cube(). Поскольку обе функции объявлены подставляемыми с помошью ключевого слова inlino, они, как и макросы, будут вставлены в код программы по месту каждого вызова, и никаких временных затрат при выполнении программы, связанных с обращениями к функциям, не возникнет.

Напомним, что подставляемые функции помещаются во время компиляции в программу всюду, где делается обращение к функции (например, в строке 17). А поскольку реального вызова функции никогда не происходит, отсутствуют и временные затраты, связанные с помещением в стек адреса возврата и параметров функции.

В строке 17 вызывается функция Square, а в строке 19 — функция Cube. И вновь-таки, поскольку эти функции подставляемые, реально строка их вызова после компиляции будут выглядеть следующим образом:

16: cout << ". Square(" << x << "): " << x * x << ". Cube (" << x << "): " << x * x * x << "." << endl;

Операции со строками

Препроцессор предоставляет два специальных оператора для управления строками в макросах. Оператор взятия в кавычки (#) берет в кавычки любую строку, которая следует за ним. Оператор конкатенации (##) объединяет две строки в одну.

Оператор взятия в кавычки

Этот оператор берет в кавычки любые следующие за ним символы вплоть до очередно символа пробела. Следовательно, если написать

#define WRITESTRING(x) cout << #x

и выполнить следующий вызов макроса:

WRITESTRING(This is а string);

то препроцессор превратит его в такую строку кода:

cout << "This is а string";

Обратите внимание, что строка This is а string заключается в кавычки, что и требуется для объекта cout.

Конкатенация

Оператор конкатенации позволяет связывать несколько строк в одну. Новая строка на самом деле представляет собой лексему, которую можно использовать как имя класса, имя переменной, смещение в массиве или другом объекте, где может содержаться ряд символов.

Предположим на мгновение, что у вас есть пять функций с такими именами, как fOnePrint, fTwoPrint, fThreePrint, fFourPrint и fFivePrint. Теперь можно сделать следующее объявление:

#define fPRINT(x) f ## x ## Print

Затем использовать макрос fPRINT(x) с параметром Two, чтобы сгенерировать строку fTwoPrint, и с параметром Three, чтобы сгенерировать строку fThreePrint.

В конце второй недели обучения был разработан класс PartsList. Этот список мог обрабатывать объекты только типа List. Предположим, что этот список зарекомендовал себя хорошей работой и вам захотелось так же хорошо создавать списки животных, автомобилей, компьютеров и т.д.

Один метод решения этой задачи мог бы состоять в создании списков AnimalList, CarList, ComputerList и прочих путем вырезки и вставки кода в нужное место. Однако такой вариант решения быстро превратит вашу жизнь в кошмар, поскольку каждое изменение, вносимое в один список, нужно будет вносить во все другие.

Но, к счастью, существует альтернативное решение — использование макросов и оператора конкатенации. Например, можно определить следующий макрос:

#define Listof(Type) class Type##List

{

public:

Type##List(){ }

private:

int itsLength;

};

Суть этого примера состоит в том, чтобы включить в одно определение все необходимые методы и данные. Когда нужно будет создать список животных (AnimalList), достаточно записать

Listof(Animal)

и приведенная выше запись превратится в объявление класса AnimalList. В процессе применения этого подхода не обходится без некоторых проблем, подробно рассмотренных на занятии 19.

Встроенные макросы

Многие компиляторы используют ряд встроенных макросов, таких как DATE, __TIME__, __LINE__ и __FILE__ . Каждое из этих имен окружено двумя символами подчеркивания, чтобы снизить вероятность того, что они войдут в противоречие с именами, использованными в вашей программе.

Когда препроцессор встречает один из этих макросов, он делает соответствующую подстановку. Вместо лексемы __DATE__ ставится текущая дата. Вместо __TIME__ — текущее время. Лексемы __LINE__ и __FILE__ заменяются номером строки исходного кода и именем файла соответственно. Следует отметить, что эти замены выполняются еще до компиляции. Учтите, что при выполнении программы вместо лексемы DATE будет стоять не текущая дата, а дата компиляции программы. Встроенные макросы часто используют при отладке.

Макрос assert()

Во многих компиляторах предусмотрен макрос assert, который возвращает значение TRUE, если его параметр принимает значение TRUE, и выполняет установленные действия, если его параметр принимает значение FALSE. Многие компиляторы в этом случае прерывают выполнение программы, другие же генерируют исключительную ситуацию (см. занятие 20).

Одна из важных особенностей макроса assert() состоит в том, что препроцессор вообще не замещает его никаким кодом, если не определена лексема DEBUG. Это свойство — большое подспорье в период разработки и при передаче заказчику конечного продукта. Быстродействие программы не страдает и размер исполняемой версии не увеличивается в результате использования этого макроса.

Чтобы не зависеть от конкретной версии компилятора, т.е. от его реакции на макрос assert(), можно написать собственный вариант этого макроса. В листинге 21.4 содержится простой макрос assert() и показано его использование.

Листинг 21.4. Простой макрос assert()

1: // Листинг 21.4. Макрос ASSERT

2: #define DEBUG

3: #include <iostream.h>

4:

5: #ifndef DEBUG

6: #define ASSERT(x)

7: #else

8: #define ASSERT(x)

9: if (! (x))

10: {

11: cout << "ERROR!! Assert " << #x << " failed\n"; \

12: cout << " on line " << __LINE__ << "\n"; \

13: cout << " in file " << FILE << "\n"; \

14: }

15: #endif

16:

17:

18: int main()

19: {

20: int x = 5;

21: cout << "Первый макрос assert: \n";

22: ASSERT(x==5);

23: cout << "\nВторой макрос assert: \n";

24: ASSERT(x != 5);

25: cout << "\nВыполненоД n";

26: return 0:

27: }

Результат:

First assert:

Second assert:

ERROR!! Assert x !=5 failed

on line 24

in file test1704.cpp

Done.

Анализ: В строке 2 определяется лексема DEBUG. Обычно это делается из командной строки (или в интегрированной среде разработки) во время компиляции, что позволяет управлять этим процессом. В строках 8-14 определяется макрос assert(). Как правило, это делается в файле заголовка ASSERT.hpp, который следует включить во все файлы источников.

В строке 5 проверяется определение лексемы DEBUG. Если она не определена, макрос assert() определяется таким образом, чтобы вообще не создавался никакой код. Если же лексема DEBUG определена, то выполняются строки кода 8-14.

Сам макрос assert() представляет собой цельное выражение, разбитое на семь строк исходного кода. В строке 9 проверяется значение, переданное как параметр. Если передано значение FALSE, выводится сообщение об ошибках (строки 11 — 13). Если передано значение TRUE, никакие действия не выполняются.