玩转iOS“宏定义”

Posted 2021-02-21 simplepp

宏定义在C类语言中非常重要，因为宏是一种预编译时的功能，因此其可以比运行时更高层面的对程序流程进行控制。在初学宏定义的时候，大家可能都会有这样一种感觉：就是完全替换么，太简单了。但如果你真这么想，那你就太天真了，不说自己编写宏，在Foundation框架中内置定义的许多宏要看明白也要费一番脑筋。本篇博客，总结了前辈的经验，同时收集了一些编写非常巧妙的宏进行分析，希望可以帮助大家对宏定义有更加深刻的理解，并且可以将心得应用于实际开发中。

一、准备

宏的本质是预编译时的替换，在开始正文之前，我们需要先介绍一种观察宏替换后结果的方法，这样帮助我们更方便的对宏最终的结果进行验证与测试。Xcode开发工具自带查看预编译结果的功能，首先需要对工程编译一遍，之后选择工具栏中的Assistant选项，打开助手窗口，如下图所示：

 

之后选择窗口的Preprocess选项，即可打开预编译结果窗口，可以看到，宏被替换后的最终结果，如下图所示：

 

后面，我们将使用这种方式来对编写的宏进行验证。

二、关于“宏定义”

宏使用#define来进行定义，宏定义分为两种，一种是对象式宏，一种是函数式宏。对象式宏通常对来定义量值，在预编译时，直接将宏名替换成对应的量值，函数式宏在定义时可以设置参数，其作用与函数很类似。

例如，我们可以将π的值定义成一个对象式宏，在使用的时候，用有意义的宏名要比直接使用π的字面值方便很多，例如：

#import <Foundation/Foundation.h>
#define PI 3.1415926
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        CGFloat res = PI * 3;
        NSLog(@"%f", res);
    }
    return 0;
}

函数式宏要更加灵活一些，例如对圆面积计算的方法，我们就可以将其定义成一个宏：

#define PI 3.1415926
#define CircleArea(r) PI * r * r
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        CGFloat res = CircleArea(1);
        NSLog(@"%f", res);
    }
    return 0;
}

现在，有了这个面积计算宏我们可以更加方便的计算圆的面积了，看上去很完美，后面我们就使用这个函数式宏为例，来深入理解宏的原理。

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三、从一个简单的函数式宏说起

再来看下上面我们编写的计算面积的宏，正常情况下好像没什么问题，但是需要注意，归根结底宏并不是函数，如果完全把其作为函数使用，我们就可能会陷入一系列的陷阱中，比如这样使用：

#define PI 3.1415926
#define CircleArea(r) PI * r * r
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        CGFloat res = CircleArea(1 + 1);
        NSLog(@"%f", res);
    }
    return 0;
}

运行代码，运算的结果并不是半径为2个圆的面积，哪里出了问题呢，我们还是先看下宏预编译后的结果：

CGFloat res = 3.1415926 * 1 + 1 * 1 + 1;

一目了然了，由于运算符的优先级问题导致了运算顺序错误，在编程中，所有运算符优先级产生的问题都可以使用一种方式解决：用小括号。对CircleArea宏进行一下改造，如下：

#define CircleArea(r) (PI * (r) * (r))

对执行顺序进行了强制的控制，代码执行又恢复了正常，看上去好像是没有问题了，现在就满意了还为时过早，例如下面这样使用这个宏：

#import <Foundation/Foundation.h>
#define PI 3.1415926
#define CircleArea(r) PI * (r) * (r)
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        int r = 1;
        CGFloat res = CircleArea(r++);
        NSLog(@"%f, %d", res, r);
    }
    return 0;
}

运行，发现结果又错了，不仅计算结果与我们的预期不符，变量自加的的结果也不对了，我们检查其展开的结果：

CGFloat res = 3.1415926 * (r++) * (r++);

原来问题出在这里，宏在展开的时候，将参数替换了两次，由于参数本身是一个自加表达式，所以被自加了两次，产生了问题，那么这个问题怎么解决呢，C语言中有一种很有用的语法，即使用大括号定义代码块，代码块会将最后一条语句的执行结果返回，修改上面宏定义如下：

#import <Foundation/Foundation.h>
#define PI 3.1415926
#define CircleArea(r)   
({                          typeof(r) _r = r;       (PI * (_r) * (_r)); })
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        int r = 1;
        CGFloat res = CircleArea(r++);
        NSLog(@"%f, %d", res, r);
    }
    return 0;
}

这次程序又恢复的了正常。但是，如果如果在调用宏是变量的名字与宏内的临时变量产生了重名，灾难就又发生了，例如：

#import <Foundation/Foundation.h>
#define PI 3.1415926
#define CircleArea(r)   
({                          typeof(r) _r = r;       (PI * (_r) * (_r)); })
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        int _r = 1;
        CGFloat res = CircleArea(_r);
        NSLog(@"%f, %d", res, _r);
    }
    return 0;
}

运行上面代码，会发现宏内的临时变量没有被初始化成功。这确实难受，我们在进一步，比如对临时变量的名字做一些手脚，将其命名为极其不容易重复的名字，其实系统内置的一个宏就是专门用来构造唯一性变量名的：COUNTER，这个宏是一个计数器，在编译的时候会自动进行累加，再次对我们编写的宏进行改造，如下：

#import <Foundation/Foundation.h>
#define PI 3.1415926
#define PAST(A, B) A##B
#define CircleArea(r)   __CircleArea(r, __COUNTER__)
#define __CircleArea(r, v)      
({                                  typeof(r) PAST(_r, v) = r;             (PI * PAST(_r, v) * PAST(_r, v));     })
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int _r = 1;
        CGFloat res = CircleArea(_r);
        CGFloat res2 = CircleArea(_r);
        NSLog(@"%f, %f", res, res2);
    }
    return 0;
}

这里改造后，我们的宏就没有那么容易理解了，首先COUNTER在每次宏替换时都会进行自增，##是一种宏中专用的特殊符号，用来将参数拼接到一起，但是需要注意，使用##符号拼接的如果是另外一个宏，则其会阻止宏的展开，因此我们定义了一个转换宏PAST(A, B)来处理拼接。如果你一下子不能理解为什么这样就可以解决宏展开的问题，你只需要记住这样一条宏展开的原则：如果形参有使用#或##这种处理符号，则不会进行宏参数的展开，否则先展开宏参数，在展开当前宏。上面代码最终预编译的结果如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        int _r = 1;
        CGFloat res = ({ typeof(_r) _r0 = _r; (3.1415926 * _r0 * _r0); });
        CGFloat res2 = ({ typeof(_r) _r1 = _r; (3.1415926 * _r1 * _r1); });
        NSLog(@"%f, %f", res, res2);
    }
    return 0;
}

一个简单的计算圆面积的宏，为了安全，我们就进行了这么多的处理，看来要用好宏，的确不容易。

四、编写宏时的好习惯

通过前面的介绍，我们知道，如果随随意意的编写一个宏是非常不负责任的，看上去好像没问题与在任何场景下使用都没有问题是完全不同的。在编写宏时，我们可以刻意的去培养这样几个编码习惯：

• 参数与计算结果要加小括号

  这条原则应该不必多说了，前面的示例中就有演示，完整的添加小括号可以避免很多由于运算符优先级造成的异常问题。

• 多语句功能性宏，要使用do-while包裹

  这条原则看上去有些莫名其妙，但是其非常重要，例如，我们需要编写一个自定义的LOG宏，在进行打印时添加一些自定义的信息，你或许会这样写：

#define LOG(string)     
NSLog(@"自定义的信息");   NSLog(string);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LOG(@"info")
    }
    return 0;
}

运行代码，目前貌似没有问题，但是如果其和if语句进行结合，可能问题就来了：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        if (NO)
            LOG(@"info")
    }
    return 0;
}

运行代码，还是有一行LOG信息被输出了，看下其预编译后的结果如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        if (__objc_no)
            NSLog(@"自定义的信息"); NSLog(@"info");
    }
    return 0;
}

找到问题了，由于if结构如果不加大括号进行规范，其默认作用域只有一句代码，多写大括号是不会出问题，因此编写多语句宏时，加上大括号是一个好习惯，如下：

#define LOG(string)     
{NSLog(@"自定义的信息");   NSLog(string);}

这样解决了问题，但是并不完美，假设在使用时这样写：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        if (NO)
            LOG(@"NO");
        else
            LOG(@"YES");
    }
    return 0;
}

结果发现还是会报错，是由于分号捣的鬼，预编译结果如下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        if (__objc_no)
            {NSLog(@"自定义的信息"); NSLog(@"NO");};
        else
            {NSLog(@"自定义的信息"); NSLog(@"YES");};
    }
    return 0;
}

我们知道，像if，while，for这种语法结构块的大括号后是不需要分号的，我们为了兼容单行if语句由于宏的原因被展开成多行的问题强行加了一个大括号上去，就产生这样的问题了，解决它的一个好方法是真的将多行的宏转化成单语句，do-whlie结构就可以实现这种效果，修改宏如下：

#define LOG(string)     do {NSLog(@"自定义的信息");   NSLog(string);} while(0);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        if (NO)
            LOG(@"NO")
        else
            LOG(@"YES");
    }
    return 0;
}

预编译后：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        if (__objc_no)
            do {NSLog(@"自定义的信息"); NSLog(@"NO");} while(0);
        else
            do {NSLog(@"自定义的信息"); NSLog(@"YES");} while(0);;
    }
    return 0;
}

现在，无论外面怎么使用，这个宏都可以正常工作了。

• 对于不定参数的宏，借助##符号来拼接参数

  在定义函数时，我们可以定义函数的参数为不定个数参数，定义函数式宏时也类似，使用符号"..."可以指定不定个数参数，例如对LOG宏进行调整，如下：

#define LOG(format, ...)     do {NSLog(@"自定义的信息");   NSLog(format, __VA_ARGS__);} while(0);
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        if (NO)
            LOG(@"%d", NO)
        else
            LOG(@"%d", YES);
    }
    return 0;
}

VA_ARGS也是一个内置的宏符号，则作用是代表宏定义中的可变参数“...”，需要注意，如果按照上面的写法，如果我们传入的可变参数为0个，会产生问题，其原因也是由于多了一个逗号，例如：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        if (NO)
            LOG(@"%d") // 这里会被预编译成NSLog(@"%d", )
        else
            LOG(@"%d", YES);
    }
    return 0;
}

解决方案是对可变参数进行一次##拼接，宏在使用##符号进行参数拼接时，如果后面的参数为空，其会自动将前面的逗号去掉，如下：

#define LOG(format, ...)     do {NSLog(@"自定义的信息");   NSLog(format, ##__VA_ARGS__);} while(0);

五、特殊的宏符号与常用内置宏

有几个特殊的符号可以让宏定义变得非常灵活，常用的特殊符号和特殊宏列举如下：

•  

  井号的作用是将参数字符串化，例如：

#define Test(p) #p

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Test(abc); // 预编译后成为  "abc";
    }
    return 0;
}

 

•  

  双井号我们前面有使用过，其作用是对参数进行拼接，例如：

#define Test(a,b) a##b

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Test(1,2); // 预编译后成为  12;
    }
    return 0;
}

• __TIME __

  可变参数宏中专用，表示所有传入的可变参数。

• __COUNTER __

  一个累加计数宏，常用来构造唯一变量名。

• __LINE __

  记录LOG信息时，常用的一个内置宏，预编译时会将其替换为当前的行号。

• __FILE __

  记录LOG信息时，常用的一个内置宏，预编译时会将其替换为当前文件的全路径。

• __FILE_NAME __

  记录LOG信息时，常用的一个内置宏，预编译时会将其替换为当前的文件名。

• __DATE __

  记录LOG信息时，常用的一个内置宏，预编译时会将其替换为当前日期。

• __TIME __

  记录LOG信息时，常用的一个内置宏，预编译时会将其替换为当前时间。

六、宏的展开规则

通过前面的介绍，对于应用宏我们已经没有太大的问题，并且也了解了很多宏的使用技巧。这一小节将更深入的对宏的替换规则进行讨论。宏本身是支持嵌套的，例如：

#define M1(A) M2(A)
#define M2(A) A
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        M1(1);
    }
    return 0;
}

上面代码中定义的两个宏基本上是没有意义的，M1宏替换后的结果是M2宏，M2宏最终被替换为参数本身，从这个例子可以看出，宏是可以嵌套递归展开的，但是递归展开是有原则，不会出现无限递归，例如：

#define M1(A) M2(A)
#define M2(A) M1(A)
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        M1(1); // 最终展开为 M1(1)
    }
    return 0;
}

宏的展开需要符合下面原则：

1. 在展开宏的过程中会先将参数进行展开，如果使用##对参数进行了拼接或使用#进行了处理，则此参数不会被展开。
2. 在宏的展开过程中，如果替换列表中出现了要被展开的宏，则此宏不会被展开。

上面的展开原则提到了替换列表，宏在展开过程中会维护一个替换列表，展开的过程中需要从参数到宏本身，从外层宏到内层宏一层一层的替换，每次替换的时候都会将被替换的宏名放入维护的替换列表中，再下一轮替换中，如果再次出现替换列表中出现过的宏名，则不会被再次替换。以我们上面的代码为例进行分析：

1. 首先M1宏在第一轮替换后，被替换成了M2，此时替换列表中放入宏名M1。
2. M2依然是一个宏名，第二轮对M2进行替换，将其替换为M1，再次将M2放入替换列表，此时替换列表中有宏名M1和M2。
3. M1依然是宏名，但是替换列表中已经存在M1，此宏名不再展开。

七、宏的妙用

这一小节，我们要转身成为鉴赏家，来对很多实用的宏的巧妙案例进行分析与鉴赏。从这些优秀的使用案例中，可以扩宽我们对宏使用的思路。

1. MIN与MAX

   Foundataion内置了一些常用的运算宏，如获取两个数的最大值、最小值、绝对值等等。以MAX宏为例，这个宏的编写基本涵盖了函数式宏所有要注意的点，如下：

#define __NSX_PASTE__(A,B) A##B
#if !defined(MAX)
    #define __NSMAX_IMPL__(A,B,L) ({ __typeof__(A) __NSX_PASTE__(__a,L) = (A); __typeof__(B) __NSX_PASTE__(__b,L) = (B); (__NSX_PASTE__(__a,L) < __NSX_PASTE__(__b,L)) ? __NSX_PASTE__(__b,L) : __NSX_PASTE__(__a,L); })
    #define MAX(A,B) __NSMAX_IMPL__(A,B,__COUNTER__)
#endif

其中NSMAX_IMPL宏借助计数COUNTER和拼接NSX_PASTE宏来构造唯一的内部变量名，我们前面提供的示例宏的写法也基本是参照这个系统宏来的。后面大家在编写函数式宏的时候，都可以参照下这个宏的实现。

2. NSAssert等

   NSAssert是断言宏，在开发调试中经常会使用断言来进行安全保障，这个宏的定义如下：

#define NSAssert(condition, desc, ...)      do {                    __PRAGMA_PUSH_NO_EXTRA_ARG_WARNINGS     if (__builtin_expect(!(condition), 0)) {                    NSString *__assert_file__ = [NSString stringWithUTF8String:__FILE__];             __assert_file__ = __assert_file__ ? __assert_file__ : @"<Unknown File>";         [[NSAssertionHandler currentHandler] handleFailureInMethod:_cmd         object:self file:__assert_file__             lineNumber:__LINE__ description:(desc), ##__VA_ARGS__];     }                       __PRAGMA_POP_NO_EXTRA_ARG_WARNINGS     } while(0)

NSAssert宏定义中使用到了不定参数拼接消除逗号的技巧，并且是多行宏语句使用do-while进行优化的一个实践。

3. @weakify与@strongify

weakify与strongify是ReactCocoa中常用的两个宏，用来处理循环引用问题。这两个宏的定义非常巧妙，以weakify宏为例，要看懂这个宏并不是十分简单，首先与这个宏相关的宏定义列举如下：

#if DEBUG
#define rac_keywordify autoreleasepool {}
#else
#define rac_keywordify try {} @catch (...) {}
#endif

#define rac_weakify_(INDEX, CONTEXT, VAR) 
CONTEXT __typeof__(VAR) metamacro_concat(VAR, _weak_) = (VAR);

#define weakify(...) 
rac_keywordify metamacro_foreach_cxt(rac_weakify_,, __weak, __VA_ARGS__)

#define metamacro_foreach_cxt(MACRO, SEP, CONTEXT, ...) 
metamacro_concat(metamacro_foreach_cxt, metamacro_argcount(__VA_ARGS__))(MACRO, SEP, CONTEXT, __VA_ARGS__)

#define metamacro_argcount(...) 
metamacro_at(20, __VA_ARGS__, 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1)
#define metamacro_at20(_0, _1, _2, _3, _4, _5, _6, _7, _8, _9, _10, _11, _12, _13, _14, _15, _16, _17, _18, _19, ...) metamacro_head(__VA_ARGS__)
#define metamacro_at(N, ...) 
metamacro_concat(metamacro_at, N)(__VA_ARGS__)

#define metamacro_concat(A, B) 
metamacro_concat_(A, B)

#define metamacro_concat_(A, B) A ## B

#define metamacro_head(...) 
metamacro_head_(__VA_ARGS__, 0)

#define metamacro_foreach_cxt1(MACRO, SEP, CONTEXT, _0) MACRO(0, CONTEXT, _0)

#define metamacro_head_(FIRST, ...) FIRST

其中rac_keywordify区分DEBUG和RELEASE环境，在DEBUG环境下，其实际上是创建了一个无用的autoreleasepool，消除前面的@符号，在RELEASE环境下，其会创建一个try-catch结构，用来消除参数警告。metamacro_foreach_cxt宏比较复杂，其展开过程如下：

// 第一步： 原始宏
metamacro_foreach_cxt(rac_weakify_,, __weak, obj)
// 第二步： 展开metamacro_foreach_cxt
metamacro_concat(metamacro_foreach_cxt, metamacro_argcount(obj))(rac_weakify_,, __weak, obj)
// 第三步： 展开metamacro_argcount      
metamacro_concat(metamacro_foreach_cxt, metamacro_at(20, obj, 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1))(rac_weakify_,, __weak, obj)
// 第四步： 展开metamacro_at       
metamacro_concat(metamacro_foreach_cxt,metamacro_concat(metamacro_at, 20)(obj, 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1))(rac_weakify_,, __weak, obj)
// 第五步：展开metamacro_concat       
metamacro_concat(metamacro_foreach_cxt,metamacro_at20(obj, 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1))(rac_weakify_,, __weak, obj)
// 第六步：展开metamacro_at20        
metamacro_concat(metamacro_foreach_cxt,metamacro_head(1))(rac_weakify_,, __weak, obj)
// 第七步：展开metamacro_head        
metamacro_concat(metamacro_foreach_cxt,metamacro_head_(1, 0))(rac_weakify_,, __weak, obj)
// 第八步：展开metamacro_head_      
metamacro_concat(metamacro_foreach_cxt,1)(rac_weakify_,, __weak, obj)
// 第九步：展开metamacro_concat        
metamacro_foreach_cxt1(rac_weakify_,, __weak, obj)
// 第十步：展开metamacro_foreach_cxt1
rac_weakify_(0, __weak, obj)
// 第十一步：展开rac_weakify_
__weak __typeof__(obj) metamacro_concat(obj, _weak_) = (obj);
// 第十二步：展开metamacro_concat        
__weak __typeof__(obj) obj_weak_ = (obj);

strongify宏的展开与之类似。

4. ParagraphStyleSet宏

   ParagraphStyleSet宏是YYLabel中提供的一个设置属性字符串ParagraphStyle相关属性的快捷方法，其中使用到的一个技巧是直接使用宏的形参作为属性名进行使用，使得各种属性的设置都使用同一个宏即可完成，其定义如下：

#define ParagraphStyleSet(_attr_) 
[self enumerateAttribute:NSParagraphStyleAttributeName                  inRange:range                  options:kNilOptions               usingBlock: ^(NSParagraphStyle *value, NSRange subRange, BOOL *stop) {                   NSMutableParagraphStyle *style = nil;                   if (value) {                       if (CFGetTypeID((__bridge CFTypeRef)(value)) == CTParagraphStyleGetTypeID()) {                           value = [NSParagraphStyle yy_styleWithCTStyle:(__bridge CTParagraphStyleRef)(value)];                       }                       if (value. _attr_ == _attr_) return;                       if ([value isKindOfClass:[NSMutableParagraphStyle class]]) {                           style = (id)value;                       } else {                           style = value.mutableCopy;                       }                   } else {                       if ([NSParagraphStyle defaultParagraphStyle]. _attr_ == _attr_) return;                       style = [NSParagraphStyle defaultParagraphStyle].mutableCopy;                   }                   style. _attr_ = _attr_;                   [self yy_setParagraphStyle:style range:subRange];               }];

八、结语

宏看上去简单，但是真的用好用巧却并不容易，我想，最好的学习方式就是在实际应用中不断的使用，不断的琢磨与优化。如果能将宏的使用驾轻就熟，一定会为你的代码能力带来质的提升。

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