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预处理的图灵完备之引言

好久没有光顾cppblog了,现在这里这么冷清了,不免让人有些伤感,可见c++现在多么的不得人心,也可能是c++的大神去了其他的网络平台,好比知乎。不管怎么样,始终对c++还是有些感情,也对cppblog有些感情。

我们还是来讨论c++吧,这几年在c++里面玩代码自动生成技术,而预处理是不可避免,也是不可或缺的重要工具。虽然boost pp预处理库在宏的运用上很是完善,但是代码也太多了,而且代码很不好理解,对此,不免让人疑惑,有必要搞得那么复杂,搞那么多代码吗?并且,看了boostpp的使用接口后,感觉写得很不干净,也不好组合。因此,重新做了一套预处理的轮子。以下的代码,假设在msvc2013以上的版本运行,反正很多人用MSVC的,装逼的自当别论,造出来的轮子,倾向于先支持msvc。

首先,我们定义一个宏,用来给把入参变成字符串,咦,这个事情也太easy了,但是,在此,感觉,还是有必要废话多解释一下。以下代码惯例都是,所有可用的宏函数都是以PP开头全部大写,而以_ZPP开头的全部都是内部实现,其实还可以做得更难看一点。因为宏函数是全局的,没有作用域的概念,并且只是单纯的文本替换,死的时候,还不知道怎么死,所以,必须谨慎对待。像是windows.h头文件那样,直接用min,max作为宏的名字,虽然用起来很方便,但也不知道制造了多少麻烦,所以,很多时候,包含windows.h时,第一件事情就是undef min和max。

以下的代码,可以随便在某个工程下,随便建立一个cpp后缀名的源文件,然后按CTRL+F7编译,不需要F5,就可以看到运行的效果,如果编译通过,就说明宏基本上正确,测试代码越多,准确性就越高。当然,你们也可以通过设置源文件的属性,让msvc生成预处理后的文件,然后用记事本打开那个文件观看。
#define PP_TEXT(str) _ZPP_TEXT(str)
#define _ZPP_TEXT(str) #str
在c++预处理宏中,操作符#是将后面跟随的表达式加上两个双引号,也就是字符串。PP_TEXT(str)不是直接定义成#str,而是通过调用_ZPP_TEXT(str),然后在那里才将入参变成字符串,显得有点辗转,有点多此一举,但,其实是为了支持宏的全方位展开,也就是入参str本身也存在宏调用的时候,纯属无奈。比如,如果这样实现
#define PP_TEXT(str) #str
那么,对于下面的情况,
#define AAA aaa
PP_TEXT(AAA),结果将是"AAA",而不是"aaa"。因为宏操作符直接是将入参变成字符串,没有让入参有一点点回旋的空间,所以只好引入间接层,让入参有机会宏展开。后面,很多宏函数都是这样实现,不得不间接调用,以便让宏全面展开。而msvc的宏展开机制更加奇葩,更加不人性化,其间接调用的形式也更丑陋。这都是没办法的事情。
然后,为了调试宏,或者测试宏,当然,很多时候,调试宏,还是要打开预处理的文件来对比分析。我们对 static_assert作一点点包装,因为static_assert需要两个参数,c++11后面的c++版本中,static_assert好像只需要一个入参,那时就不需要这个包装了。
#define PP_ASSERT() static_assert((__VA_ARGS__), PP_TEXT(__VA_ARGS__));
PP_ASSERT(...)里面的三个点,是不定参数的宏,而__VA_ARGS__就代表了...所匹配的所有参数,这条语法很重要,要熟练。这里,就不详细解释其用法了,后面会有大把大把的宏函数用到__VA_ARGS__。
好了,我们可以开始用PP_ASSERT(...)做测试了。
PP_ASSERT(2+3==5)
如果,然后编译这个文件,发现编译通过了,比如
PP_ASSERT(2+3==4)
编译的时候,就会报错误信息,error C2338: 2+3==4
好了,测试准备建立起来,就可以开始肆无忌惮的写代码了。一步一步地构建c预处理宏的图灵完备。
显然,当务之急,最根本的宏就是将两个宏参数的并接,也即是##运算符,显然好比#运算那样子,必须给里面参数有宏展开的机会,因此要间接调用,下面是其实现
#define PP_JOIN(_A, _B) _ZPP_JOIN_I(_A, _B)
#define _ZPP_JOIN_I(_A, _B) _ZPP_JOIN_II(~, _A##_B)
#define _ZPP_JOIN_II(p, res) res
竟然不止一层间接,而是两层,又多此一举,是因为发现在做宏递归的时候,一层间接调用还不能让宏充分地展开,所以只好又加间接层,也不明白是何原因,也懒得追究了。现在,接下来,当然是测试PP_JOIN了。各位同学,可以新建立一个测试文件,那个文件include我们的这个宏函数。当然,也可以在同一个文件里面写测试代码,注意分成两段代码,上一段写宏函数,下一段写测试代码,目前来看,都可以的,后面再整理。
PP_ASSERT(PP_JOIN(1+2== 3))
#define A 20
#define B 10
PP_ASSERT(PP_JOIN(A 
+ B, == 30))
有了PP_JOIN,就可以开始做点其他事情了。比如,计数器,
#define _ZPP_INC_JOIN(_A, _B) _ZPP_INC_JOIN_IMP1(_A, _B)
#define _ZPP_INC_JOIN_IMP1(_A, _B) _ZPP_INC_JOIN_IMP2(~, _A##_B)
#define _ZPP_INC_JOIN_IMP2(p, res) res

#define PP_INC(x, ) _ZPP_INC_JOIN(_ZPP_INC_, x)
#define _ZPP_INC_0         1
#define _ZPP_INC_1         2
#define _ZPP_INC_2         3
#define _ZPP_INC_3         4
#define _ZPP_INC_4         5
#define _ZPP_INC_5         6
#define _ZPP_INC_6         7
#define _ZPP_INC_7         8
#define _ZPP_INC_8         9
#define _ZPP_INC_9         10
这里,我们重新又实现了一遍PP_JOIN,这也是没办法的事情,后面在重重嵌套的时候,会出现PP_JOIN里面又包含PP_JOIN的情况,这样会导致宏停止展开了,所以,只好对于每一个要用到JOIN之处,都用自己版本的JOIN。
这是宏函数的实现方式,通过并接,文本替换,一一枚举,才达到这样的效果,也就是说,我们通过JOIN函数,在宏里面构造了一个计数器的数据类型。如果每个宏函数都这样写,岂不是很累。好消息是,只需用这种苦逼方式实现几个最基本的函数,然后通过宏的递归引擎,其他的宏函数就不需这样子一个一个苦逼的并接替换了。
PP_ASSERT(PP_INC(9)==10)
PP_ASSERT(PP_INC(PP_INC(
9)) == 11)
写测试代码习惯了,写起来就很有意思了,测试通过,也是最激动人心的时刻。
接下来,要处理msvc里面宏的恶心行为,然后就结束本引言。
#define PAIR_SECOND(x, y) y
PP_ASSERT(PAIR_SECOND(
1020== 20)
这样子,还不错,下面,再define一个宏函数,让其返回一个pair,也就是两个值
#define MAKE_PAIR(x, y) x, y
然后,这样调用,
PAIR_SECOND(MAKE_PAIR(1020))
编译器马上就不高兴了,warning C4003: “PAIR_SECOND”宏的实参不足
好像是编译器没有先展开MAKE_PAIR(10, 20),然后再调用PAIR_SECOND,而是直接把MAKE_PAIR(10, 20)整个当成一个函数传给PAIR_SECOND,然后,PAIR_SECOND就提示实参不足,然后,硬要测试,
PP_ASSERT(PAIR_SECOND(MAKE_PAIR(1020)) == 20)
显然,无论如何,编译器势必就龙颜大怒了。对此,我们只好再引入间接层,想办法让MAKE_PAIR(10, 20)先展开,然后再传给PAIR_SECOND。这样,就不能直接用这样的形式了,PAIR_SECOND(MAKE_PAIR(10, 20)) 。只好改成这样,下面的几行代码,很有点惊天地泣鬼神的味道。
#define _ZPP_INVOKE_JOIN(_A, _B) _ZPP_IMP_INVOKE_JOIN_I(_A, _B)
#define _ZPP_IMP_INVOKE_JOIN_I(_A, _B) _ZPP_IMP_INVOKE_JOIN_II(~, _A##_B)
#define _ZPP_IMP_INVOKE_JOIN_II(p, res) res

#define PP_INVOKE(m, args, ) _ZPP_INVOKE_JOIN(m, args)
前面几行代码都是PP_INVOKE的JOIN函数实现,可以直接当它们是JOIN函数,关键是PP_INVOKE(m, args, ...)这里,第一个参数m是宏函数,第二个是args,是要传给第一个参数m的参数列表,用括号括起来,至于后面的省略号,是有些时候为了取悦编译器而添加的,也不知道是什么原因,反正这样子就可以了,懒得追究。垃圾宏,垃圾预处理,只要能完成功能就行了,c++中,代码生成代码,重头戏在tmp那里,宏只是小小必要的辅助工具而已。然后,这样调用,
PP_ASSERT(PP_INVOKE(PAIR_SECOND, (MAKE_PAIR(10, 20))) == 20)
编译通过了,好不容易啊!

posted on 2017-01-14 15:01 华夏之火 阅读(705) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: C++代码自动生成


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