面试八股：C语言的预处理和类型定义

目录

一，define 和 typedef 的区别

1.1 概念

1.2 用法和区别

1.3 优缺点

二，常见宏的使用

2.1 宏的定义和使用

2.3 注意事项

三，# 和 ## 区别

3.1 # 操作符：字符串化

3.2 ## 操作符：连接符

3.3 区别

四，offsetof 的作用与实现

4.1 定义

4.2 实现原理

五，container_of 的实现

5.1 定义

5.2 原理

六，typeof

七，C/C++ 最佳实践

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C 语言作为一门经典的系统编程语言，它的预处理器指令和类型定义

为开发者提供了强大的灵活性

本文档主要探讨：

1. C 语言中 define 和 typedef 的区别
2. 常见宏的使用
3. 预处理器操作符 # 和 ##
4. offsetof，container_of 和 typeof 的实现

一，define 和 typedef 的区别

1.1 概念

• define：
  • C 预处理指令，用于定义宏
  • 编译前的预处理阶段将宏名替换为对应的内容，是一种文本替换机制
  • 可以定义常量，函数宏

#define PI 3..14159 // 常量宏
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b)) // 函数宏

• typedef：
  • C 语言关键字，为现有类型定义别名
  • 编译阶段起作用，是一种类型定义机制，用于简化复杂声明

ulong 是 unsigned long 的别名，Point 是结构体的别名

typedef unsigned long ulong;
typedef struct {int x;int y;
} Point;

1.2 用法和区别

• 作用阶段：
  • define 在预处理阶段文本替换
  • typedef 在编译阶段类型解析
• 功能差异：
  • define 只是简单的文本替换，不涉及类型检查，可能导致错误
  • typedef 定义的是类型别名，编译器会进行类型检查
• 适用场景：
  • define 定义常量或简单的宏
  • typedef 可以为复杂类型定义别名（如结构体，指针）

#define INT_PTR int* // 文本替换
typedef int* IntPtr; // 类型别名INT_PTR a, b; // 展开后为 int* a, b;  只有 a 是指针，b 是 int
IntPtr c, d; // c 和 d 都是 int* 类型

1.3 优缺点

• define：灵活，可定义常量和宏，但缺乏类型检查，易出错
• typedef：类型安全，提高可读性，仅限于类型别名

二，常见宏的使用

2.1 宏的定义和使用

宏通过 define 定义，用于在编译前，进行文本替换

• 常量宏

#define BUFFER_SIZE 1024
char buffer[BUFFER_SIZE];

• 调试宏

#ifdef DEBUG // 如果已定义 DEBUG 宏
#define LOG(msg) printf("Debug: %s\n", msg) // 执行这行
#else // 如果未定义
#define LOG(msg) // 为空
#endif // 结束条件编译
LOG("Function started");

• 函数宏

#define MIN(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
int smaller = MIN(5, 10);

2.3 注意事项

• 避免副作用：函数宏参数可能多次求职，需要加括号保护
• 代码膨胀：复杂的宏，会导致编译后代码体积增大

三，# 和 ## 区别

3.1 # 操作符：字符串化

• 作用：将宏参数转化为字符串字面量，用于调试

#define PRINT_VAR(var) printf(#var " = %d\n", var)
int x = 42;
PRINT_VAR(x); // 输出 x = 42

3.2 ## 操作符：连接符

• 作用：两个标识符被连接，成为新的标识符，用于代码生成

#define CONCAT(prefix, suffix) prefix ## suffix
int CONCAT(var_, 1) = 100; // 展开为 int var_1 = 100;

3.3 区别

• 区别：# 转为字符串，## 连接标识符
• 应用：# 用于日志，## 生成变量名

四，offsetof 的作用与实现

4.1 定义

offsetof 是 C 标准宏，定义在 <stddef.h> 中，用于计算按结构体成员的偏移量

#include <stddef.h>
#include <stdio.h>
struct Example { char a; int b; double c; };
int main() {printf("Offset of a: %zu\n", offsetof(struct Example, a)); // Offset of a: 0printf("Offset of b: %zu\n", offsetof(struct Example, b)); // Offset of b: 4return 0;
}

4.2 实现原理

type 是结构体，member 是 type 的一个成员

#define offsetof(type, member) ((size_t)&(((type *)0)->member))

• 解释：
  • 将 0 转化成结构体指针
  • 假设结构体在地址 0，然后访问成员 member 的地址
  • 由于结构体起点是 0，成员的地址就是偏移量
  • 最后转为 size_t 类型返回
  • 这个过程在编译时完成，不真正访问内存，只是利用编译器计算偏移
• 使用场景：
  • 内存布局：调试 OR 优化内存对齐
  • 指针操作：结合指针访问成员

五，container_of 的实现

5.1 定义

container_of 用于 Linux 内核，通过成员指针反向获取结构体指针

#define container_of(ptr, type, member) ((type *)((char *)(ptr) - offsetof(type, member)))

  struct Person { int id; char name[20]; };int main() {struct Person p = {1, "Alice"};char *name_ptr = p.name;struct Person *person_ptr = container_of(name_ptr, struct Person, name);printf("ID: %d\n", person_ptr->id);return 0;}

5.2 原理

• 原理：offsetof 获取偏移量，成员指针 - 偏移量得到结构体地址
• 使用场景：
  • 嵌入式：通过成员访问结构体
  • 数据结构：链表中反向获取节点

六，typeof

定义

• typeof 是 GCC 扩展关键字，用于获取表达式类型，C++ 用 decltype

  int x = 10;typeof(x) y = 20; // 等价于 int y = 20;

应用：用于宏，确保类型一致性

  #define SWAP(a, b) do { typeof(a) temp = a; a = b; b = temp; } while(0)int x = 1, y = 2;SWAP(x, y);

七，C/C++ 最佳实践

• 宏
  • 最小化使用：优先 const 代替宏
  • 括号保护
• 类型定义
  • 优先 typedef，确保类型安全
  • 命名规范：类型别名后缀加 _t
• 内存操作
  • 谨慎使用 offsetof 和 container_of：要确保指针有效
  • 内存对齐：优化结构体成员顺序
• 跨平台
  • 条件编译：使用宏确保跨平台兼容