编辑“︁C 语言宏的副作用”︁

{{Note|本文适用于已经了解C语言宏基础语法的学习者。若您尚未掌握宏定义（<code>#define</code>）的基本用法，请先学习相关基础知识。}}

= C语言宏的副作用 =

'''宏的副作用'''（Macro Side Effects）是C语言预处理阶段因宏展开规则导致的非预期行为，通常表现为对同一表达式的多次求值或符号替换冲突。理解这一现象对编写安全可靠的宏至关重要。

== 核心问题 ==

宏的本质是文本替换，当宏参数在展开式中出现多次时，若实际传递的表达式带有副作用（如自增/函数调用），该表达式会被重复执行。例如：

<syntaxhighlight lang="c">
#define SQUARE(x) ((x) * (x))

int main() {
    int a = 5;
    printf("%d\n", SQUARE(++a));  // 展开为 ((++a) * (++a))
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

{{Warning|输出结果可能是<code>42</code>（gcc）或<code>49</code>（clang），具体行为取决于编译器对自增运算顺序的处理，这体现了'''未定义行为'''（Undefined Behavior）。}}

=== 典型副作用场景 ===
* 参数包含自增/自减操作（<code>++</code>, <code>--</code>）
* 参数调用有副作用的函数（如I/O操作、全局变量修改）
* 参数包含volatile变量读取

== 解决方案 ==

=== 方法1：使用临时变量 ===
通过<code>do-while(0)</code>结构创建作用域并缓存值：

<syntaxhighlight lang="c">
#define SAFE_SQUARE(x) ({ \
    typeof(x) _x = (x);   \
    _x * _x;              \
})
</syntaxhighlight>

{{Note|<code>typeof</code>是GCC扩展，标准C可用<code>_Generic</code>（C11）或显式指定类型。}}

=== 方法2：内联函数 ===
C99起推荐使用类型安全的替代方案：

<syntaxhighlight lang="c">
inline int square(int x) {
    return x * x;
}
</syntaxhighlight>

=== 对比表格 ===
{| class="wikitable"
! 方式 !! 类型安全 !! 副作用处理 !! 调试支持
|-
| 原始宏 | ❌ 无 | ❌ 危险 | ❌ 不可调试
|-
| 临时变量宏 | ⚠️ 部分支持 | ✅ 安全 | ⚠️ 有限支持
|-
| 内联函数 | ✅ 完全支持 | ✅ 安全 | ✅ 可调试
|}

== 真实案例 ==

=== Linux内核中的<code>min/max</code>宏 ===
Linux采用严格的类型检查和副作用防护：

<syntaxhighlight lang="c">
#define min(x, y) ({                \
    typeof(x) _x = (x);             \
    typeof(y) _y = (y);             \
    (void) (&_x == &_y);            \  // 类型检查
    _x < _y ? _x : _y; })
</syntaxhighlight>

=== 数学库中的断言宏 ===
避免重复执行条件检查：

<syntaxhighlight lang="c">
#define ASSERT(expr) do {           \
    if (!(expr))                    \
        log_error("Assertion failed: %s", #expr); \
} while(0)
</syntaxhighlight>

== 深度分析 ==

=== 预处理展开过程 ===
<mermaid>
graph LR
    A[源代码 SQUARE(++a)] --> B[预处理展开]
    B --> C[((++a) * (++a))]
    C --> D[编译器处理]
    D --> E[可能产生42或49]
</mermaid>

=== 数学表达 ===
对于宏<code>SQUARE(f(x))</code>，实际展开为：
<math>
(f(x))^2 \Rightarrow f(x) \times f(x)
</math>
若<math>f(x)</math>有副作用，则调用次数从预期的1次变为2次。

== 最佳实践 ==
# 优先使用内联函数替代功能型宏
# 必须使用宏时：
   * 为参数添加括号：<code>#define ADD(a,b) ((a)+(b))</code>
   * 使用大写字母命名宏
   * 通过<code>do-while(0)</code>包裹多语句宏
# 使用静态分析工具检测危险宏

{{Notice|在C++中，大多数功能宏可被<code>constexpr</code>、模板和内联函数完全替代。}}

[[Category:编程语言]]
[[Category:C]]
[[Category:C 语言预处理器]]