C 预处理器可以执行算术吗？如果可以，如何执行？

Question

我目前正在为微控制器编写代码；由于 ATMega128 没有硬件乘法器或除法器，因此这些操作必须在软件中完成，并且它们会占用相当多的周期。但是，为了代码的可移植性和易用性，我不希望将预先计算的值硬编码到我的代码中。例如，我有许多任务取决于系统时钟频率。目前我以 16MHz 运行，但我是否应该选择降低它，比如降低电池应用的功耗，我想更改一行代码而不是多行。

话虽如此，C 预处理器能否计算算术表达式，然后将结果“粘贴”到我的代码中，而不是将原始表达式“粘贴”到代码中？如果是这样，我将如何去做？我需要考虑他们的编译器选项吗？

注意：我要计算的值是常数值，所以我看不出这不是一个特性的原因。

Answer 1

这是一个问题：

• 第一季度。 C 预处理器可以执行算术运算吗？

这是另一个：

• 第二季度。 C预处理器可以计算算术表达式然后“粘贴”吗 将结果放入我的代码中，而不是将原始表达式“粘贴”到代码中？

Q1 的答案是肯定的。 Q2 的答案是否定的。这两个事实都可以说明 使用以下文件：

foo.c

#define EXPR ((1 + 2) * 3)
#if EXPR == 9
int nine = EXPR;
#else
int not_nine = EXPR;
#endif

如果我们通过 cpp foo.c 或将其传递给 C 预处理器 等价于gcc -E foo.c，我们看到如下输出：

# 1 "foo.c"
# 1 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 30 "/usr/include/stdc-predef.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/predefs.h" 1 3 4
# 31 "/usr/include/stdc-predef.h" 2 3 4
# 1 "<command-line>" 2
# 1 "foo.c"


int nine = ((1 + 2) * 3);

预处理器保留定义int nine的行和 已删除定义 not_nine 的行向我们表明它已正确执行 评估 #if EXPR == 9 所需的算法。

定义的预处理文本是int nine = ((1 + 2) * 3); 向我们展示了#define 指令导致预处理器替换 EXPR 及其定义 ((1 + 2) * 3)，而 not 与算术值 它的定义，9。

除了#define 之外，C 预处理器还有其他指令吗？ 影响？没有。

但这当然并不意味着int nine 的定义必须包含一个 运行时计算，因为编译器几乎肯定会计算 编译时的算术表达式((1 + 2) * 3) 并将其替换为 常量9。

我们可以通过检查编译器如何翻译源文件 编译的目标文件。大多数工具链将提供类似 GNU binutils objdump 协助解决此问题。如果我用 gcc 编译foo.c：

gcc -c -o foo.o foo.c

然后调用：

objdump -s foo.o

查看foo.o的完整内容，我得到：

foo.o:     file format elf64-x86-64

Contents of section .data:
 0000 09000000                             ....            
Contents of section .comment:
 0000 00474343 3a202855 62756e74 752f4c69  .GCC: (Ubuntu/Li
 0010 6e61726f 20342e38 2e312d31 30756275  naro 4.8.1-10ubu
 0020 6e747539 2920342e 382e3100           ntu9) 4.8.1.

在.data 部分中硬编码了所希望的9。

注意预处理器的算术能力仅限于整数算术

Answer 2

它可以，但不是必需的：你实际上不需要涉及预处理器，除非你真的想以某种方式生成涉及数字的新标识符（例如 func1、func2 之类的东西）。

像1 + 2 * 3 这样的表达式，其中所有元素都是编译时常量整数值，将在编译时替换为单个结果（这或多或少是 C 标准所要求的，因此它不是“真正的”优化）。因此，只需 #define 常量，您需要在其中命名一个可以从一个位置更改的值，确保表达式不涉及任何运行时变量，除非您的编译器故意妨碍您，否则您应该没有运行时操作担心。

Answer 3

是的，您可以使用预处理器进行算术运算，但这需要大量工作。阅读this page here，展示了如何创建增量计数器和while 循环。因此，您可以创建添加：

#define ADD_PRED(x, y) y
#define ADD_OP(x, y) INC(x), DEC(y)
#define ADD(x, y) WHILE(ADD_PRED, ADD_OP, x, y)

EVAL(ADD(1, 2)) // Expands to 3

所以重用ADD 宏，您可以创建一个MUL 宏，如下所示：

#define MUL_PRED(r, x, y) y
#define MUL_OP(r, x, y) ADD(r, x), x, DEC(y)
#define MUL_FINAL(r, x, y) r
#define MUL(x, y) MUL_FINAL(WHILE(MUL_PRED, MUL_OP, 0, x, y))

EVAL(MUL(2, 3)) // Expands to 6

除法和减法可以用类似的方式构建。

Answer 4

我使用gcc -E编译了一个包含以下行的文件。

#define MUL(A, B) ((A)*(B))

#define CONST_A 10
#define CONST_B 20

int foo()
{
   return MUL(CONST_A, CONST_B);
}

输出是：

# 1 "test-96.c"
# 1 "<command-line>"
# 1 "test-96.c"





int foo()
{
   return ((10)*(20));
}

这只是你的一个数据点。