理解C的预处理器在宏间接扩展自身时的行为

Question

当我在一个大型项目中工作时，我偶然发现了一个错误，在这个错误中，一个宏没有正确地扩展。结果输出是“EXPAND(0)”，但EXPAND被定义为“#define EXPAND(X)X”，因此很明显输出应该是“0”。

“没问题”，我心想。“这可能是一些愚蠢的错误，毕竟这里有一些讨厌的宏，有很多地方会出错”。正如我所想的那样，我将行为不端的宏隔离到它们自己的项目中，大约200行，并开始在MWE上工作以确定问题所在。200行变成了150，又变成了100，然后是20，10……令我震惊的是,这是我最后的MWE：

#define EXPAND(X) X
#define PARENTHESIS() ()
#define TEST() EXPAND(0)
   
EXPAND(TEST PARENTHESIS()) // EXPAND(0)

4行。

雪上加霜的是,几乎对宏的任何修改都能使它们正常工作：

#define EXPAND(X) X
#define PARENTHESIS() ()
#define TEST() EXPAND(0)

// Manually replaced PARENTHESIS()
EXPAND(TEST ()) // 0

#define EXPAND(X) X
#define PARENTHESIS() ()
#define TEST() EXPAND(0)

// Manually replaced TEST()
EXPAND(EXPAND(0)) // 0

// Set EXPAND to 0 instead of X
#define EXPAND(X) 0
#define PARENTHESIS() ()
#define TEST() EXPAND(0)

EXPAND(TEST PARENTHESIS()) // 0

但最重要也是最奇怪的是，下面的代码以完全相同的方式失败：

#define EXPAND(X) X
#define PARENTHESIS() ()
#define TEST() EXPAND(0)
   
EXPAND(EXPAND(EXPAND(EXPAND(TEST PARENTHESIS())))) // EXPAND(0)

这意味着预处理器完全能够扩展expand,但是由于某种原因,它绝对拒绝在最后一步中再次扩展它。

现在，我将如何在我的实际程序中解决这个问题，这不是现在也不是现在。虽然解决方案是不错的（例如，将标记expand(TEST parenthese())扩展到0)的方法，但我最感兴趣的是：为什么？为什么C预处理器在第一种情况下得出结论“扩展(0)”是正确的扩展，而在其他情况下却不是？

虽然很容易找到C预处理器的功能（以及您可以使用它的一些魔法），但我还没有找到一个解释它是如何实现的，我想借此机会更好地理解预处理器是如何完成它的工作的，以及它在扩展宏时使用什么规则。

那么，鉴于此：预处理器决定将最终宏扩展为“expand(0)”而不是“0”背后的原因是什么？

Answer 1

针对这种情况,宏替换有三个相关步骤：

1. 对参数执行宏替换。
2. 用宏的定义替换宏，参数用参数替换。
3. 重新扫描结果以便进一步替换，同时取消替换的宏名称。

在展开（测试括号()):

• 步骤1，对展开的参数、测试括号()执行宏替换：
  • test后面没有括号，因此它不被解释为宏调用。
  • parenthese()是一个宏调用，因此执行三个步骤：参数为空，因此不对它们进行处理。则括号()将替换为()。然后重新扫描()并且找不到宏。
  • 步骤1已经完成，我们有expand(TEST())。(test()未重新扫描，因为它不是任何宏替换的结果。)
  • 步骤1，参数为空，因此不对其进行处理。
  • 步骤2，将测试()替换为展开(0)。
  • 步骤3，重新扫描展开(0)，但取消显示展开。

  在展开(TEST())中：

  • 步骤1，对expand的参数执行宏替换：
    • 第1步，test的参数为空，因此不进行处理。
    • 步骤2，将测试()替换为展开(0)。
    • 步骤3，重新扫描此替换，并用0替换expand(0)。

    问题中的其他例子也类似。归结起来就是：

    • 在测试括号()中，测试后缺少括号，导致在处理封闭宏调用的参数时无法展开。
    • 展开括号时，括号会放在它后面，但这是在扫描测试之后，并且在处理参数期间不会重新扫描它。
    • 替换封闭宏后，test将被重新扫描并替换，但此时封闭宏的名称将被取消。

Answer 2

宏扩展是一个复杂的过程，只有通过理解发生的步骤才能真正理解。

>

当识别具有参数的宏（宏名称标记后跟(标记）时，扫描并拆分以下标记，直到匹配的)（在,标记上）。在此过程中不会发生宏扩展（因此、s和)必须直接存在于输入流中，而不能存在于其他宏中）。

每个宏参数，如果其名称出现在宏正文中，前面没有#或##或后面没有##或后面没有##，则“预存储”宏，以便宏展开--在替换到宏正文之前，所有参数中的宏都将被递归展开。

生成的宏参数令牌流被替换到宏的主体中。#或##参数中涉及的参数将基于步骤1中的原始解析器标记进行修改（字符串化或粘贴）和替换（对于这些参数，不执行步骤2）。

再次扫描生成的宏主体令牌流，以查找要展开的宏，但忽略当前正在展开的宏。此时，输入中的其他令牌（在步骤1中扫描和解析的内容之后）可以作为任何被识别的宏的一部分包括在内。

重要的是，有两个不同的递归展开（上面的步骤2和步骤4)，只有步骤4中的一个忽略相同宏的递归宏展开。步骤2中的递归展开不会忽略当前宏，因此可以递归展开它。

对于上面的例子，让我们看看会发生什么。对于输入

EXPAND(TEST PARENTHESIS())

• 步骤1查看宏expand并在参数列表测试括号()中扫描x
• 步骤2不将测试识别为宏（没有以下()，但识别括号:
  • 步骤1（嵌套）获取参数的空令牌序列
  • 步骤2扫描空序列ad不执行任何操作
  • 步骤3将()插入到宏主体中，结果正好是:()
  • 步骤4扫描()中的宏，但未找到任何宏
  • 步骤1获取参数的空序列
  • 步骤2不执行任何操作
  • 步骤3代入给出展开(0)
  的正文
  • 步骤4递归扩展了该功能，取消test。此时，expand和test都被抑制（由于处于步骤4扩展中），因此不会发生任何事情

  您的另一个示例expand(TEST())不同

  • 步骤1expand被识别为宏，test()被解析为参数x
  • 步骤2，递归解析此流。请注意，因为这是步骤2，所以expand不会被取消
    • 步骤1测试被识别为具有空序列参数的宏
    • 步骤2--无（空令牌序列中无宏）
    • 步骤3，替换为bosy给出展开(0)
    • 步骤4，抑制test并递归展开结果
      • 第1步，expand被识别为宏（请记住，此时只有test被步骤4递归抑制--expand在步骤2递归中，因此不被抑制），其参数为0
      • 步骤2，扫描0，但不会发生任何事情
      • 步骤3，代入正文给出0
      • 步骤4，再次扫描0以查找宏（但再次未发生任何情况）

      所以这里的最终结果是0