前置處理器

簡介

C++ 是一個編譯式語言，也就是程式碼要先經過編譯，變成執行檔才能執行。不過「編譯」的過程其實不光只有編譯這麼簡單，例如這個程式碼：

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#define test 123
#include<iostream>

這種以 # 為開頭的程式碼是前置處理器的指令，在編譯之前有一個階段就叫作前置處理，前置處理做的事情就是根據你的指令修改程式碼，然後再拿去編譯。

舉例來說，#include 會在編譯前將指定檔案裡的文字完全複製貼上到你 include 的那個地方，它可以用在任何地方，例如：

你開了一個檔案叫做 hello.txt，內容只有 "hello"，然後你在同目錄有另一個檔案 test.cpp，內容是：

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#include<iostream>
using namespace std;

int main(){
    cout <<
        #include "hello.txt"
        << "\n";
    return 0;
}

還有一個常見的指令是 #define，寫法是 #define identifier 替換字串，也被稱為「巨集」或「宏」（macro），有些人可能會說這是「常數」，然後你就會開始懷疑它跟 const 的差別，其實 #define 並不是在宣告一個常數，而是它會把整份程式碼中的一段特定文字替換，例如：

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#include<iosteam>
#define hello "hello"
using namespace std;

int main(){
    cout << hello << "\n";
    return 0;
}

在編譯之前，hello 就會被替換成 "hello"，接著才進行編譯，所以輸出會是 hello。它也有 function 的用法：

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#inlcude<iosteam>
#define say(a) cout << a << "\n"
using namespace std;

int main(){
    say("hello");
    return 0;
}

這樣會輸出 hello，在編譯前，say("hello") 會被替換成 cout << a << "\n"。

要特別注意的一點是，因為這是把文字原封不動貼上，所以 #define 替換的部分不會先做運算，而是在執行期按照前置處理器處理完的程式碼運算，例如：

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#include<iostream>
#define plus(a, b) a + b
using namespace std;

int main(){
    cout << (plus(1, 2) * 3) << "\n";
    return 0;
}

以上是 #define 的「巨集」用法，而 #define 還有另一個功用，前置處理器也有 if 的語法，它們都和 #define 有關。

最單純的是 #if、#elif、#else、#endif，用法例如：

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#include<iostream>
#define A 3
using namespace std;

int main(){
    #if A == 3
    cout << "test\n";
    #elif A == 2
    cout << "hello\n";
    #else
    cout << "QQ\n";
    #endif

    return 0;
}

除了可以判斷值之外，也可以判斷一個 identifier 有無被定義，用 defined(identifier) 就可以得到指定的 identifier 有沒有 define 過，例如：

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#include<iostream>
#define A
using namespace std;

int main(){
    #if defined(A)
    cout << "test\n";
    #endif
    #if defined(B)
    cout << "hi\n";
    #endif

    return 0;
}

這通常會用來避免標頭檔被重複 include，至於競賽用途，如果你打了一大段測試用的程式碼，覺得要在 submit 前註解掉、WA 了又要取消註解很麻煩，那就可以用個 #ifdef 來處理，會方便許多。

define 花式用法

其實通常也只會用到 define 而已 (?)，define 在競賽中最大的功能就是把常用的東西變得比較好寫，例如這是一個常見的 pair 模板：

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#define mp make_pair
#define F first
#define S second
using pii = pair<int, int>;

除了普通的把東西替換掉之外，function macro 還有一種特別的寫法：

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#define err(a) cerr << #a << ": " << a << "\n"

int num = 123;
err(num); // 輸出 num: 123

#a 就是把你在 a 打的東西變成字串替換上去，所以 err(num); 會被替換成：

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cerr << "num" << ": " << a << "\n";