宏編程實現(xiàn)原理詳解

1.6 可變宏參數(shù)作為輸入和欲輸出結果組合起來，其間規(guī)律可以表達條件邏輯。

1.7 擴展編譯器及語言版本，能夠更全面地測試解決方案的普遍性。

下面就來進一步完善解決方案，使?COUNT_VARARGS?支持 C++20 以下版本。

問題的關鍵在于?##__VA_ARGS__?不具備通用性，此時一種精妙的技術是分情況討論，即零參和多參分別處理。考慮起初分析時的一條失敗道路：

?

#define?GET_VARARGS_2(a,?b)?2
#define?GET_VARARGS_1(a)????1
#define?GET_VARARGS(...)????GET_VARARGS_X(__VA_ARGS__)
#define?COUNT_VARARGS(...)??GET_VARARGS(__VA_ARGS__)

?

這是函數(shù)重載的思路，因必須確定?GET_VARARGS_X?中的?X，而?X?又和可變宏參數(shù)相關，可變宏參數(shù)又屬于無限集，遂無法確定這個?X，致此路不通。但若改變前提條件，使?X?的值屬于有限集，這條路便可走通，這里便能夠利用起來。只考慮零參和多參的情況，X?的取值范圍就可以定在 0 和 1 之間。只需設法判斷可變宏參數(shù)屬于哪種情況，就可借此實現(xiàn)重載，分發(fā)處理邏輯。

根據(jù)假設，寫出基本代碼：

?

#define?_COUNT_VARARGS_0(...)?N
#define?_COUNT_VARARGS_1()?0
#define?COUNT_VARARGS_0(...)?_COUNT_VARARGS_1(__VA_ARGS__)
#define?COUNT_VARARGS_1(...)?_COUNT_VARARGS_0()
#define?OVERLOAD_INVOKE(call,?version)?call?##?version
#define?COUNT_VARARGS(...)?OVERLOAD_INVOKE(COUNT_VARARGS_,?IS_EMPTY(__VA_ARGS__))

?

定義兩個重載宏函數(shù)?COUNT_VARARGS_1?和?COUNT_VARARGS_0，前者處理無參情況，后者處理多參情況。如此一來，空包時?IS_EMPTY?返回 1，調(diào)用分發(fā)到?COUNT_VARARGS_1，最終結果直接置為 0；多參時?IS_EMPTY?返回 0，調(diào)用分發(fā)到?COUNT_VARARGS_1，使用前面的方法處理即可。

于是主要問題就為如何實現(xiàn)?IS_EMPTY。根據(jù)結論 1.3 分析新的需求，其輸入是可變宏參數(shù)，過程是判斷空或非空，結果是 1 或 0。過程依舊是條件邏輯，而結論 1.6 正好可以表達條件邏輯，于是初步有了實現(xiàn)思路。

根據(jù)設想，繼續(xù)寫出基礎代碼：

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#define?HAS_COMMA(_0,?_1,?_2,?...)?_2
#define?IS_EMPTY(...)?HAS_COMMA(__VA_ARGS__,?0,?1)

?

空包時，第一步替換結果為?HAS_COMMA(, 0, 1)，第二步替換結果為 1。列出表格，分析更多樣本。

可以發(fā)現(xiàn)，空包和 1 個參數(shù)情況的結果相等，為 1；多參情況的結果相等，為 0。擴大?HAS_COMMA?的參數(shù)之后，結果依然成立。

?

#define?HAS_COMMA(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?_5,?...)?_5
#define?IS_EMPTY(...)?HAS_COMMA(__VA_ARGS__,?0,?0,?0,?0,?1)

?

如今難題變成如何區(qū)分空包和 1 個參數(shù)，這個問題依舊不好處理。宏的唯一功能只有替換，可以嘗試將空包替換成多參的同時，保持 1 個參數(shù)不變，這樣就可以區(qū)分。下面的代碼用于說明這個技巧：

?

#define?_TRIGGER_PARENTHESIS(...)?,
#define?TEST(...)?_TRIGGER_PARENTHESIS?__VA_ARGS__?()

?

若參數(shù)為空，TEST()?第一步被替換為?_TRIGGER_PARENTHESIS ()，第二步被替換為?,。而?,?等價于?a, b，屬于兩個參數(shù)，便達到了將空包變?yōu)槎鄥⒌男枨?。若是參?shù)為 1，TEST?第一步被替換為?_TRIGGER_PARENTHESIS 1 ()，宏不會繼續(xù)展開，只要不使用該參數(shù)，它也不會報錯，還是當作 1 個參數(shù)。如此一來，問題解決，開始將基礎代碼合并。

?

#define?_TRIGGER_PARENTHESIS(...)?,
#define?_COMMA_CHECK(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?_5,?...)?_5
#define?HAS_COMMA(...)?_COMMA_CHECK(__VA_ARGS__,?0,?0,?0,?0,?1)
#define?IS_EMPTY(...)?HAS_COMMA(?_TRIGGER_PARENTHESIS?__VA_ARGS__?()?)

?

重新列表格分析：

當前問題完美解決！暫停下來，調(diào)整接口，讓它更加規(guī)范。一般 1 為真，0 為假，而現(xiàn)在 1 和 0 的意義完全相反，無法顧名思義，先把它改變過來。調(diào)整代碼為：

?

#define?_TRIGGER_PARENTHESIS(...)?,
#define?_COMMA_CHECK(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?_5,?...)?_5
#define?HAS_COMMA(...)?_COMMA_CHECK(__VA_ARGS__,?1,?1,?1,?1,?0)
#define?IS_EMPTY(...)?HAS_COMMA(?_TRIGGER_PARENTHESIS?__VA_ARGS__?()?)

?

調(diào)整后的表格為：

隨后分析新產(chǎn)生的問題，可以發(fā)現(xiàn)多參之間又無法區(qū)分是否為空包。解決這個問題的思路是多條件約束，從結果集中依次剔除不滿足的元素。先把使用技巧前后的表格匯總起來，尋找規(guī)律。

這兩個條件組合起來，便可進一步排除包含?,?的情況。在此基礎上，充分利用排列組合，再增加了兩個條件，表格變?yōu)椋?/p>

首先，使用?_TRIGGER_PARENTHESIS_ __VA_ARGS__ ()?區(qū)分了空包和 1 參的情況，得到的結果集包含空包和多參。其次，借助?__VA_ARGS__?區(qū)分了空包和?,?（即為多參）的情況，兩相組合，結果集便只剩下空包。

但還有一些特殊情況，比如第一個輸入?yún)?shù)包含?()，此時?HAS_COMMA((1))展開為?HAS_COMMA(, ())?，一個參數(shù)替換后變成兩個參數(shù)會造成誤判，以?_TRIGGER_PARENTHESIS __VA_ARGS__?能夠進一步排除這類結果。

最后，如果輸入為一個宏或無參函數(shù)，例如?HAS_COMMA(Foo)，替換后就變成了?HAS_COMMA(_TRIGGER_PARENTHESIS Foo ())，結果可能會出乎意料，通過?__VA_ARGS__ ()?能夠排除這類結果。

對于無參宏/函數(shù)，舉個例子，#define Foo() 1, 2，結果加入表格中如下。

這四個條件組合起來，也就是說四個條件的結果為?0001，就可以唯一確認空包?，F(xiàn)在便可運用老辦法，添加重載，當重載為?0001?時，處理空包，返回 1，其他所有情況返回 0。實現(xiàn)如下：

?

#define?_COMMA_CHECK(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?_5,?_6,?_7,?_8,?_9,?_10,?R,?...)?R
#define?HAS_COMMA(...)?_COMMA_CHECK(__VA_ARGS__,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?0)

#define?_IS_EMPTY_CASE_0001?,
#define?_IS_EMPTY_CASE(_0,?_1,?_2,?_3)?_IS_EMPTY_CASE_?##?_0?##?_1?##?_2?##?_3
#define?_IS_EMPTY_IMPL(_0,?_1,?_2,?_3)?HAS_COMMA(_IS_EMPTY_CASE(_0,?_1,?_2,?_3))
#define?IS_EMPTY(...)?
????_IS_EMPTY_IMPL(?
????????HAS_COMMA(__VA_ARGS__),?
????????HAS_COMMA(_TRIGGER_PARENTHESIS_?__VA_ARGS__),?
????????HAS_COMMA(__VA_ARGS__?()),?
????????HAS_COMMA(_TRIGGER_PARENTHESIS_?__VA_ARGS__?())?
????)

?

四個條件的處理結果進一步傳遞到?_IS_EMPTY_IMPL，它又通過?_IS_EMPTY_CASE?組裝成重載特化?_IS_EMPTY_CASE_0001。其他所有情況都沒有定義相應的重載，因而經(jīng)由?HAS_COMMA?調(diào)用?_COMMA_CHECK?的參數(shù)個數(shù)都相同，最終只會返回 0。而?_IS_EMPTY_CASE_0001?被替換為?,，相當于參數(shù)個數(shù)加一，最終返回 1。

子問題解決，現(xiàn)在回到原問題，看看最初的實現(xiàn)：

?

#define?_COUNT_VARARGS_0(...)?N
#define?_COUNT_VARARGS_1()?0
#define?COUNT_VARARGS_0(...)?_COUNT_VARARGS_1(__VA_ARGS__)
#define?COUNT_VARARGS_1(...)?_COUNT_VARARGS_0()
#define?OVERLOAD_INVOKE(call,?version)?call?##?version
#define?COUNT_VARARGS(...)?OVERLOAD_INVOKE(COUNT_VARARGS_,?IS_EMPTY(__VA_ARGS__))

?

IS_EMPTY?只有空包時才會返回 1，其他情況都返回 0。因此當前的重載版本已經(jīng)可以使用，空包時最終的參數(shù)直接由?_COUNT_VARARGS_1?將結果替換為 0。對于?_COUNT_VARARGS_0?多參版本，只要把上節(jié)的實現(xiàn)添加起來便可以：

?

#define?_COUNT_VARARGS_0_IMPL(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?N,?...)?N
#define?_COUNT_VARARGS_0(...)?_COUNT_VARARGS_0_IMPL(__VA_ARGS__,?5,?4,?3,?2,?1)

?

到這一步，這個問題就解決了。根據(jù)總結 1.7，進一步切換編譯器檢驗一下方案的普遍性，發(fā)現(xiàn) MSVC 結果錯誤。

原來是 MSVC 每次傳遞?__VA_ARGS__?時，都會將其當作整體傳遞。例如：

?

#define?A(x,?...)?x?and?__VA_ARGS__
#define?B(...)?A(__VA_ARGS__)

B(1,?2);?//?替換為?1,?2?and

?

一種解決方案是強制宏展開，實現(xiàn)很簡單：

?

#define?EXPAND(x)?x
#define?A(x,?...)?x?and?__VA_ARGS__
#define?B(...)?EXPAND(?A(__VA_ARGS__)?)

B(1,?2);?//?替換為?1?and?2

?

為了適配 MSVC，我們需要將所有傳遞的?__VA_ARGS__?都強制展開。最終的實現(xiàn)為：

?

#include?

#define?EXPAND(x)?x
#define?_TRIGGER_PARENTHESIS(...)?,

#define?_COMMA_CHECK(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?_5,?_6,?_7,?_8,?_9,?_10,?R,?...)?R
#define?HAS_COMMA(...)?EXPAND(?_COMMA_CHECK(__VA_ARGS__,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?0)?)

#define?_IS_EMPTY_CASE_0001?,
#define?_IS_EMPTY_CASE(_0,?_1,?_2,?_3)?_IS_EMPTY_CASE_?##?_0?##?_1?##?_2?##?_3
#define?_IS_EMPTY_IMPL(_0,?_1,?_2,?_3)?HAS_COMMA(_IS_EMPTY_CASE(_0,?_1,?_2,?_3))
#define?IS_EMPTY(...)?
????_IS_EMPTY_IMPL(?
????????EXPAND(?HAS_COMMA(__VA_ARGS__)?),?
????????EXPAND(?HAS_COMMA(_TRIGGER_PARENTHESIS?__VA_ARGS__)?),?
????????EXPAND(?HAS_COMMA(__VA_ARGS__?())?),?
????????EXPAND(?HAS_COMMA(_TRIGGER_PARENTHESIS?__VA_ARGS__?())?)?
????)

#define?_COUNT_VARARGS_0_IMPL(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?N,?...)?N?
#define?_COUNT_VARARGS_0(...)?EXPAND(?_COUNT_VARARGS_0_IMPL(__VA_ARGS__,?5,?4,?3,?2,?1)?)
#define?_COUNT_VARARGS_1()?0
#define?COUNT_VARARGS_0(...)?EXPAND(?_COUNT_VARARGS_0(__VA_ARGS__)?)
#define?COUNT_VARARGS_1(...)?_COUNT_VARARGS_1()
#define?OVERLOAD_INVOKE(call,?version)?call?##?version
#define?OVERLOAD_HELPER(call,?version)?OVERLOAD_INVOKE(call,?version)
#define?COUNT_VARARGS(...)?EXPAND(?OVERLOAD_HELPER(COUNT_VARARGS_,?IS_EMPTY(__VA_ARGS__))(__VA_ARGS__)?)

int?main()?{

????//?0?1?2?3?4
????printf("%d?%d?%d?%d?%d
",
????????COUNT_VARARGS(),?COUNT_VARARGS(1),?COUNT_VARARGS('a',?'b'),
????????COUNT_VARARGS('a',?'b',?'c'),?COUNT_VARARGS('a',?'b',?1,?2));

}

?

這種解決方案不僅支持 C++ 所有版本，而且在 C 中也能使用。

合并方案

最后，將兩種方案合并起來，便能得到一個通用的實現(xiàn)。借助預處理分語言版本選擇不同的實現(xiàn)，C++20 以上使用新的簡潔做法，C++20 以下使用這種通用但復雜的做法。

?

#include?

#if?defined(__cplusplus)?&&?__cplusplus?>=?202002L
????#define?GET_VARARGS(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?N,?...)?N
????#define?COUNT_VARARGS(...)?GET_VARARGS("ignored"?__VA_OPT__(,)?__VA_ARGS__,?4,?3,?2,?1,?0)
#else
????#define?EXPAND(x)?x
????#define?_TRIGGER_PARENTHESIS(...)?,

????#define?_COMMA_CHECK(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?_5,?_6,?_7,?_8,?_9,?_10,?R,?...)?R
????#define?HAS_COMMA(...)?EXPAND(?_COMMA_CHECK(__VA_ARGS__,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?1,?0)?)

????#define?_IS_EMPTY_CASE_0001?,
????#define?_IS_EMPTY_CASE(_0,?_1,?_2,?_3)?_IS_EMPTY_CASE_?##?_0?##?_1?##?_2?##?_3
????#define?_IS_EMPTY_IMPL(_0,?_1,?_2,?_3)?HAS_COMMA(_IS_EMPTY_CASE(_0,?_1,?_2,?_3))
????#define?IS_EMPTY(...)?
????????_IS_EMPTY_IMPL(?
????????????EXPAND(?HAS_COMMA(__VA_ARGS__)?),?
????????????EXPAND(?HAS_COMMA(_TRIGGER_PARENTHESIS?__VA_ARGS__)?),?
????????????EXPAND(?HAS_COMMA(__VA_ARGS__?())?),?
????????????EXPAND(?HAS_COMMA(_TRIGGER_PARENTHESIS?__VA_ARGS__?())?)?
????????)

????#define?_COUNT_VARARGS_0_IMPL(_0,?_1,?_2,?_3,?_4,?N,?...)?N?
????#define?_COUNT_VARARGS_0(...)?EXPAND(?_COUNT_VARARGS_0_IMPL(__VA_ARGS__,?5,?4,?3,?2,?1)?)
????#define?_COUNT_VARARGS_1()?0
????#define?COUNT_VARARGS_0(...)?EXPAND(?_COUNT_VARARGS_0(__VA_ARGS__)?)
????#define?COUNT_VARARGS_1(...)?_COUNT_VARARGS_1()
????#define?OVERLOAD_INVOKE(call,?version)?call?##?version
????#define?OVERLOAD_HELPER(call,?version)?OVERLOAD_INVOKE(call,?version)
????#define?COUNT_VARARGS(...)?EXPAND(?OVERLOAD_HELPER(COUNT_VARARGS_,?IS_EMPTY(__VA_ARGS__))(__VA_ARGS__)?)
#endif


int?main()?{

????printf("version:?%ld
",?__cplusplus);

????//?0?1?2?3?4
????printf("%d?%d?%d?%d?%d
",
????????COUNT_VARARGS(),?COUNT_VARARGS(1),?COUNT_VARARGS('a',?'b'),
????????COUNT_VARARGS('a',?'b',?'c'),?COUNT_VARARGS('a',?'b',?1,?2));

}

?

總結

本章以可變宏參數(shù)計數(shù)為例，穿插講解宏編程的核心原理，又涵蓋問題分析思路與完善步驟，小步慢走，終是實現(xiàn)需求。

由此原理，宏以能表示基本邏輯，亦能演繹出諸多新工具，反過來簡化如今的實現(xiàn)。