前置處理與巨集¶

C++ 原始碼送進真正的編譯器之前，會先經過前置處理（preprocessing）。常見工作包括：

展開 #include。
展開 #define 巨集。
根據 #if 等指令保留或移除程式碼。
處理部分實作定義的 #pragma。

簡化流程：

原始碼 .cpp
   ↓ 前置處理
翻譯單元（巨集已展開、標頭已引入）
   ↓ 編譯
目的檔 .o / .obj
   ↓ 連結
可執行檔

前置處理器主要做「token／文字層次轉換」，不了解 C++ 型態、作用域、物件生命週期或運算優先順序。

Problem. 觀察前置處理結果¶

#include <iostream>

#define MESSAGE "Hello, preprocessor!"

using namespace std;

// 主程式：依照範例或題目規格執行，並輸出驗證結果。
int main() {
    // 編譯前，MESSAGE 會被替換成字串常值。
    cout << MESSAGE << '\n';
}

可只執行前置處理：

g++ -std=c++17 -E 01_觀察前置處理結果.cpp

輸出通常很長，因為標頭內容也會被展開。可先建立不含標準標頭的小檔案觀察。

前置處理指令的形式¶

指令以 # 開頭，通常獨占一行：

#include <iostream>
#define BUFFER_SIZE 1024
#if BUFFER_SIZE > 100
#endif

指令不是一般 C++ 敘述，結尾通常不加分號。

#include與標頭檔¶

#include <iostream>
#include "calculator.hpp"

<...>：通常用於標準函式庫或設定好的系統引入路徑。
"..."：通常優先搜尋目前檔案附近，再搜尋設定的引入路徑。

實際搜尋順序由編譯器與建置設定決定，不能把「尖括號必定是系統檔」當成語言保證。

Problem. 宣告放標頭，定義放來源檔¶

// calculator.hpp
#ifndef COURSE_CALCULATOR_HPP
#define COURSE_CALCULATOR_HPP

int add(int left, int right);

#endif

// calculator.cpp
#include "calculator.hpp"

int add(int left, int right) {
    return left + right;
}

// 使用自訂標頭.cpp
#include <iostream>
#include "calculator.hpp"

using namespace std;

// 主程式：依照範例或題目規格執行，並輸出驗證結果。
int main() {
    cout << add(10, 20) << '\n';
}

編譯：

g++ -std=c++17 02_使用自訂標頭.cpp calculator.cpp -o calculator

物件式巨集 `#define`¶

不帶參數的巨集稱為物件式巨集。

慣例使用全大寫，提醒讀者它不是一般變數。

#define APP_NAME "Grade Analyzer"
#define MAX_STUDENTS 50

#include <iostream>

#define APP_NAME "Grade Analyzer"
#define MAX_STUDENTS 50

using namespace std;

// 主程式：依照範例或題目規格執行，並輸出驗證結果。
int main() {
    cout << APP_NAME << '\n';
    cout << "人數上限：" << MAX_STUDENTS << '\n';
}

`#undef`¶

#define TEMP_VALUE 10
#undef TEMP_VALUE

#undef 之後該名稱不再是巨集。頻繁重新定義通常表示設計混亂。

巨集沒有型態與作用域¶

前置處理器只替換 token，不知道 PI 是 double。

#define PI 3.141592653589793

函數式巨集¶

函數式巨集帶有參數：

#define SQUARE(x) ((x) * (x))

巨集名稱與左括號之間不能插入空白，否則會變成物件式巨集。

#include <iostream>

#define SQUARE(x) ((x) * (x))

using namespace std;

// 主程式：依照範例或題目規格執行，並輸出驗證結果。
int main() {
    int value = 5;
    cout << SQUARE(value) << '\n';
    cout << SQUARE(value + 1) << '\n';
    // 展開概念：SQUARE(value + 1) → ((value + 1) * (value + 1))
}

為什麼每個參數和結果都要加括號¶

// 錯誤：
#define BAD_SQUARE(x) x * x

// BAD_SQUARE(2 + 3)
// → 2 + 3 * 2 + 3
// → 11，不是 25

// 另一個錯誤：
#define BAD_ADD(a, b) (a) + (b)

// 2 * BAD_ADD(3, 4)
// → 2 * (3) + (4)
// → 10，不是 14

巨集的重大陷阱¶

重複求值¶

#define SQUARE(x) ((x) * (x))

int value = 3;
int result = SQUARE(value++);
// 展開後 `value++` 出現兩次。這類程式可能具有未定義或非預期行為，絕對不要把有副作用的運算式傳給會重複使用參數的巨集。

名稱污染¶

巨集不服從命名空間：

#define min(a, b) ...
// 即使程式寫 `std::min`，`min` token 仍可能被巨集干擾。巨集名稱應加上專案前綴：

條件編譯¶

`#if`、`#elif`、`#else`、`#endif`¶

#include <iostream>

#define COURSE_LEVEL 2

using namespace std;

// 主程式：依照範例或題目規格執行，並輸出驗證結果。
int main() {
#if COURSE_LEVEL >= 3
    cout << "進階模式\n";
#elif COURSE_LEVEL == 2
    cout << "中階模式\n";
#else
    cout << "基礎模式\n";
#endif
}

未定義識別字在 #if 整數常數運算式中通常視為 0，但明確使用 defined 更容易閱讀。

`#ifdef`、`#ifndef` 與 `defined`¶

#ifdef COURSE_DEBUG
    // COURSE_DEBUG 已定義
#endif

#ifndef COURSE_DEBUG
    // COURSE_DEBUG 未定義
#endif

#if defined(COURSE_DEBUG) && !defined(COURSE_RELEASE)
#endif

除錯程式碼¶

#include <iostream>

using namespace std;

// 主程式：依照範例或題目規格執行，並輸出驗證結果。
int main() {
    int value = 42;

#ifdef COURSE_DEBUG
    cout << "[DEBUG] value=" << value << '\n';
#endif

    cout << "程式完成\n";
}
// 編譯：
// g++ -std=c++17 -DCOURSE_DEBUG 11_除錯模式.cpp

// 沒有 `-DCOURSE_DEBUG` 時，除錯輸出不會進入翻譯單元。

跨平台條件¶

#if defined(_WIN32)
    // Windows
#elif defined(__linux__)
    // Linux（編譯器慣用巨集，非標準 C++ 保證）
#elif defined(__APPLE__)
    // Apple 平台
#else
    // 未知平台
#endif

平台巨集多由編譯器定義，應查閱工具鏈文件，並把平台差異集中在少數抽象層，而非散落整個專案。

標準預定義巨集¶

巨集	用途
`__FILE__`	目前來源檔名稱字串
`__LINE__`	目前來源行號
`__DATE__`	翻譯日期字串
`__TIME__`	翻譯時間字串
`__cplusplus`	C++ 標準版本數值

#include <iostream>

using namespace std;

// 主程式：依照範例或題目規格執行，並輸出驗證結果。
int main() {
    cout << "檔案：" << __FILE__ << '\n';
    cout << "行號：" << __LINE__ << '\n';
    cout << "日期：" << __DATE__ << '\n';
    cout << "時間：" << __TIME__ << '\n';
    cout << "C++：" << __cplusplus << '\n';
}

__DATE__、__TIME__ 會讓相同原始碼在不同時間產生不同輸出，不利可重現建置。版本資訊通常由建置系統明確注入更好。