如何检查表达式在 C 中是否为常量？ [复制]

Question

假设我有一个场景，我需要确保我的代码中使用的值是编译时常量（例如，可能是对 P10 rule 2“固定循环边界”的严格解释）。如何在 C 语言级别强制执行此操作？

C 在语言级别支持整数常量表达式 的概念。必须有可能找到一种方法来利用这一点，以便只有符合本规范的值才能在表达式中使用，对吧？例如：

for (int i = 0; i < assert_constant(10); ++i) {...

一些部分解决方案不够通用，无法在多种情况下使用：

• 位域：在 C11 之前在 C 中实现 static_assert 的经典策略是 use a bitfield whose value would be illegal when a condition failed：

  struct { int _:(expression); }
  

  虽然这可以很容易地包装为表达式的一部分，但它根本不通用 - expression "[may] 的最大值不会超过指定类型的对象的宽度是否省略了冒号和表达式”（C11 6.7.2.1），这对 expression 的大小设置了非常低的便携限制（通常可能为 64）。它也可能不是负面的。

• 枚举：enum 要求任何初始化表达式都是整数常量表达式。但是，enum 声明不能嵌入到表达式中（与 struct 定义不同），需要它自己的语句。由于枚举器列表中的标识符被添加到周围的作用域中，因此我们每次也需要一个新名称。 __COUNTER__ 没有标准化，因此无法从宏中实现。

• 案例：同样，case 行的参数表达式必须是整数常量。但这需要围绕switch 声明。这并不比enum 好很多，而且你不想隐藏在宏中（因为它会生成真实的语句，即使它们很容易被优化器删除）。

• 数组声明： 从 C99 开始，数组大小甚至不必是常数，这意味着它无论如何都不会产生所需的错误。这也是一个需要在周围范围中引入名称的语句，遇到与enum 相同的问题。

肯定有某种方法可以在可重复的宏中隐藏常量检查，传递值（因此它可以用作表达式），并且不需要语句行或引入额外的标识符？

Answer 1

原来有办法！

虽然在 C 中允许本地分配的数组具有可变长度，但标准明确要求此类数组不具有显式初始化程序。我们可以通过给数组一个 initializer-list 来强制禁用 VLA 语言特性，这将强制数组大小为整数常量表达式（编译时常量）：

int arr[(expression)] = { 0 };

初始化器的内容无关紧要； { 0 } 将始终有效。

这仍然略逊于enum 解决方案，因为它需要一个语句并引入一个名称。但是，与枚举不同，数组可以匿名（作为复合文字）：

(int[expression]){ 0 }

由于复合文字有一个初始化器作为语法的一部分，所以它不可能成为 VLA，所以这仍然保证要求 expression 是一个编译时常量。

最后，因为匿名数组是表达式，我们可以将它们传递给sizeof，这为我们提供了一种传递expression 原始值的方法：

sizeof((char[expression]){ 0 })

这有一个额外的好处是保证数组永远不会在运行时被分配。

最后，稍微总结一下，我们甚至可以处理零值或负值：

sizeof((char[(expression)*0+1]){ 0 }) * 0 + (expression)

这在设置数组大小时忽略了expression的实际值（始终为1），但仍考虑其恒定状态；然后它也忽略数组的大小并仅返回原始表达式，因此对数组大小的限制 - 必须大于零 - 不需要应用于返回值。 expression 是重复的，但这就是宏的用途（如果编译，它不会被重新计算，因为 a. 它是一个常量，并且 b. 第一次使用在 sizeof 内）。因此：

#define assert_constant(X) (sizeof((char[(X)*0+1]){ 0 }) * 0 + (X))

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对于加分，我们可以使用非常相似的技术来实现static_switch表达式，通过将数组大小与 C11 的 _Generic 结合起来（这可能没有太多实际用途，但可能会替换一些不流行的嵌套三元组）：

#define static_switch(VAL, ...) _Generic(&(char[(VAL) + 1]){0}, __VA_ARGS__)
#define static_case(N) char(*)[(N) + 1]

char * x = static_switch(3,
             static_case(0): "zero",
             static_case(1): "one",
             static_case(2): "two",
             default: "lots");
printf("result: '%s'\n", x); //result: 'lots'

（我们使用数组的地址来生成一个明确的指向数组的指针类型，而不是让实现来决定 _Generic 是否将数组提升为指针；截至 2016 年 4 月，这种歧义已在语言中得到修复DR 481 及其随后的 TC。）

这比assert_constant 稍微严格一些，因为它不允许负值。不过，通过将+1 放在控制表达式 和 所有 case 值中，我们至少可以让它接受零。