巨集與語法糖

前置處理器指令（preprocessor directive）用於控制前置處理器行為，可處理C語言本身做不到的事情，或用於定義巨集（Macro），本質上，這也是消弭重複的一種手段。

前置處理器指令是伴隨著C語言的小型語言，嚴格說來並不是C語言的一部份，然而C89開始就規範了前置處理指令，標準程式庫也有不少以預定義巨集提供的功能。因此，想靈活地運用C語言，我們對於前置處理器指令的認識，不可或缺。

以程式產生程式

對C語言來說，巨集是基於前置處理器指令來定義的文字替換規則，若將定義巨集的過程視為程式設計，前置處理器對巨集進行文字替換後，就是產生另一程式碼，以程式產生程式，廣義而言，就是一種meta程式設計（meta-programming）。

meta程式設計目的之一，是可以創造語言本身沒有的語法。例如，C語言本身沒有不定長度引數，基本上，必須透過陣列收集引數來達到相同效果，然而，如果透過stdarg.h定義的va_list、va_start等巨集，就可以令呼叫函式的引數不受數量限制。

但是，談到巨集撰寫、除錯或者是維護，就不是一件容易的事情了，因為要讓巨集能適用諸多場合，往往必須加入更多額外的巨集程式碼，或者是特定環境的條件編譯，令巨集變得複雜。

另一方面，既然巨集到最後也是展開為C語言程式碼，這代表著不使用巨集也能達成任務，因而不少C語言的書籍特意忽略巨集的討論，或者以極少篇幅或簡單範例來帶過，多半只談些swap、max之類的簡單巨集。

不過，面對這類簡單巨集，很容易會有個疑問：為什麼我們不把swap、max定義為函式，而是要定義為巨集？

過去也許有個好理由將swap、pow等定義為巨集：「不會產生函式呼叫，比較有效率」。但是，在不用這麼斤斤計較的場合時，將swap、pow等定義為巨集的價值不大，反而容易因為代入巨集的項目具有副作用等問題，令程式容易出錯。

自定義的語法糖

對不少開發者來說，會覺得巨集撰寫很難，這往往是因為他們想憑空寫出巨集。

實際上，這樣的出發點就是錯的，我們不該憑空寫出巨集，因為，巨集的出發點，跟語法糖（Syntactic Sugar）會出現在語言之中，有著類似的道理，也就是「過去經驗中曾經大量出現這類（冗長）的撰寫模式」。

既然如此，不如在語言中添加某種語法，由編譯器展開為對應的撰寫模式，讓程式更加簡潔，具有更高的可讀性。

不少語言中出現的foreach語法糖，就是個很好的例子，那麼，在C語言中，要怎麼實現foreach？

其實，開發者要自問的是：「迭代陣列時有出現什麼樣的撰寫模式嗎？」察覺這類模式有時並不容易，因為跟函數式設計中察覺高階抽象的概念類似，開發者應令任務單純，模式才會單純而易於抽取。如果迭代陣列時在迴圈中做了太多事情，那是不可能抽出模式來定義巨集的。

也就是說，在抽取巨集前，也必須經過一些重構的過程，令模式單純，如此一來，就可以定義出適用該情境的巨集。

下一步要考慮的是，巨集展開後必須仍是合法的C語言程式碼，因此必須考慮其他場合可能會如何使用巨集，例如，若要能以{}自定義foreach的區塊，既有的巨集該如何調整，才能於展開後仍然是合法的程式碼，這往往不能一步到位，而必須要反覆地重構，才能令巨集靈活而穩固。

相對地，在閱讀巨集的程式碼時，若不瞭解理解最初進行這部份調整的原因，就會覺得巨集難以理解，更別說後續的維護了，若開發者不易理解某個巨集，可以試著自行建立類似的巨集原型，或許就能得到不錯的切入點。

定義好的巨集，本質上就是語法糖，但與語言直接添加的語法糖不同的是，C語言開發者可以透過巨集直接閱讀、調整語法糖展開後的結果，例如，想知道底下的foreach語法糖怎麼來的話，可以參考〈foreach與陣列〉中定義的foreach巨集：

int arr[] = {10, 20, 30, 40, 50};
foreach(int *v, arr) {
printf("%d ", *v);
}

本質是文字替換

就C語言來說，巨集的本質是文字替換。如果經常寫出某C語言片段，而該片段不適合封裝為函式，或者封裝為函式時使用上突冗，才是適用巨集的場合，foreach是其中一例，雖然也可以定義foreach函式，透過函式指標傳遞，以達到部份相同的任務，然而，如果定義為巨集，在foreach迭代陣列的過程當中，若需要引用外部變數等資源時，會比較具有彈性。

如果某個任務，以巨集或函式來實現都能有相同效果，而以文字替換方式來實現，會比函式來得簡單，巨集會是比較好的選擇。例如，如果我們將debug定義為函式，要使用到不定長度引數、字串串接等做法，相對來說，定義為巨集反而容易得多：

#define debug(fmt, ...) { \
fprintf(stderr, "(%s:%d) "fmt"\n", __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__); \
}

用簡單的方式來解決需求，這類巨集的定義是比較受到鼓勵的，因為我們不需要考慮太多適用的情境，而可以針對特定需求來撰寫，後續的調整維護也會容易許多。

除了方才的debug巨集外，另一個例子是針對特定函式實現預設引數，甚至關鍵字引數，令函式可以有(10)、foo(10, 20)、foo(.a = 5, .b = 30)等呼叫方式，有興趣的人可以參考〈預設引數〉。

除了單純的一對一文字替換之外，C11提供了_Generic選擇，其本質是類似switch的選擇陳述，不過，會是在編譯時期根據型態來選擇展開的對象，例如，#define cbrt(X) _Generic((X), long double: cbrtl, float: cbrtf, default: cbrt)(X)，會根據項目型態而展開為cbrtl、cbrtf等名稱，藉此可在C語言中實現重載的概念，例如，cbrt來呼叫math.h中各個對應型態的函式：

double x = 8.0;
const float y = 3.375;
printf("cbrt(8.0) = %f\n", cbrt(x));
printf("cbrtf(3.375) = %f\n", cbrt(y));

本質上也是消弭重複

有興趣的話，你可以試著挑戰以巨集實現現代語言的一些特性，例如，try-catch-finally、throw等，都是可能實現的（可參考〈例外處理〉），然而，最好的方式並非憑空創造，而是觀察是否有重複流程出現，進一步重構為簡單的模式，就像foreach的情況，再來創造新語法比較好。

畢竟巨集的本質上就是在消弭重複，無根據地創造巨集，就跟無根據地進行抽象設計一樣，最後只會令巨集如同浮誇的架構，有如空中樓閣，難以使用與維護！