C语言中for的用法

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gaosmile 发布时间：2020-9-19 09:59

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【说在前面的话】

通过本系列前面两篇文章的学习，我们掌握了宏的基本语法和使用规则，讽刺的是这些所谓的“基本语法和规则”却恰恰是正规C语言教育中所缺失的。本文的内容将建立在前面构筑的基础之上，以for功能的挖掘和封装为契机，手把手的教会你如何正确使用宏来简化日常开发，增强C语言的可读性、降低应用开发的难度、同时还尽可能避免宏对日常代码调试带来的负面影响。
在开始本文的内容之前，如果你还没有阅读过前面两篇文章，可以单击下面的链接：

基础必修1：【为宏正名】本应写入教科书的“世界设定”基础必修2：【为宏正名】什么？我忘了去上“数学必修课”！应用范例1：【为宏正名】99%人都不知道的"##"里用法

【被低估的价值】

想必大家对C语言中的 for 循环结构并不陌生。根据C/C++语法网站cppreference.com 的介绍，for 的语法结构如下：

for ( init_clause ; cond_expression ; iteration_expression )
loop_statement

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这里，我并不想假设大家对 for 结构一无所知，并介绍一堆教科书上已有的内容。然而，在 for 的语法结构中有几个大家容易忽视的地方，而它们恰恰是本文后续各种“展开”的基础：

for 循环中的 cond_expression 和 interation_expression 都必须是表达式，而不能是直接的语句。
for 循环中第一个部分 init_clause 一开始是用来放置给变量赋值的表达式；但从ANSI-C99开始，init_clause 可以被用来建立局部变量；而局部变量的生命周期覆盖且仅覆盖整个for循环——这一点非常有利用价值，也是大家容易忽略的地方。

为了说明这一点，我们不妨举几个例子。首先在C99标准之前，如果你要在 for 循环中使用一个循环变量，你只能在进入 for 之前将其定义好：

int i = 0;
...
for (i = 0; i < 100; i++) {
...
}

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如你所见，虽然我们可以在 init_clause 的位置对变量赋值，但它并不是必须的——多少一点鸡肋是不是？也许更鸡肋的是，你可以在 init_clause 这里完成更多的赋值操作，比如：

int i = 0, j,k;
...
for (i = 0, j = 100, k = 1; i < 100; i++) {
...
}

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实际上，明眼人都可以看出，init_clause 中所作的事情完全可以放置到 for 循环之前去完成，还可以避免“使用逗号进行分隔” 这样让人不那么习惯的使用方式。也许是意识到这一点，C99允许在 init_clause 里定义局部变量，而正是这一点，完全改变了 for 的命运（关于这一点，我们将在随后的内容中详细介绍）。现在，上述代码可以等效的改写为：

for (int i = 0, j = 100, k = 1; i < 100; i++) {
...
}

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需要强调的是，这里仍然有一个小小的限制，即：init_clause 里虽然可以定义局部变量，但这些变量只能是同一类型的，或者是指向这一类型的指针。因此下面的写法是非法的：

for (int i = 0, short j = 100; i < 100; i++) {
...
}

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而这样的写法是合法的：

for (int i = 0, *p = NULL; i < 100; i++) {
...
}

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请大家务必留意这里的语法细节，我们将在后面的封装中大规模使用。

另外一个值得注意的是 for 的执行顺序，它可以用下面的流程图来表示：

容易发现，经过必要的“构造”，我们可以恰好实现一个如同 do { } while(0)一样的效果：

图中灰色的部分为原本实际的执行流程，而纯黑色的线条以及最下方的虚线箭头则为等效的运行流程。与do {} while(0) 相比，在我们眼中 for 循环的几个关键部分就有了新的意义：

在执行用户代码之前（灰色部分），有能力进行一定的“准备工作”（Before部分）；
在执行用户代码之后，有能力执行一定的“收尾工作”（After部分）
在init_clause阶段有能力定义一个“仅仅只覆盖” for 循环的，并且只对 User Code可见的局部变量——换句话说，这些局部变量是不会污染 for 循环以外的地方的。

【构造using结构】

上面所提到的结构，在C#中有一个类似的语法，叫做 using()，其典型的用法如下：

using (StreamReader tReader = File.OpenText(m_InputTextFilePath))
{
while (!tReader.EndOfStream)
{
...
}
}

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以上述代码为例进行讲解：

在 using 圆括号内定义的变量，其生命周期仅覆盖 using 紧随其后的花括号内部；
当用于代码离开 using 结构的时候，using 会自动执行一个“扫尾工作”，而这个扫尾工作是对应的类事先定义好的。在上述例子中，所谓的扫尾工作就是关闭与类StreamReader的实例tReader 所关联的文件——简单说就是using会自动把文件关闭，而不必用户亲自动手。

是不是闻到了熟悉的味道？不要搞错因果关系——我们正是对C#中的using结构“甚是眼馋”才决定自己动手，用 for 来创造一个——现有C#的using结构才有我们后面的尝试。下图是using所等校流程图，可以看到他比我们此前的结构还少了一个“Before”部分：

要实现类似using的结构，首先要考虑如何构造一个"至执行一次"的for循环结构。要做到这一点，毫无难度：

for (int i = 1; i > 0; i++) {
...
}

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以此为起点，对比我们的“蓝图”，发现至少有以下几个问题：

如何实现 before和after的部分？
现在用的变量 i 固定是 int 类型的，如何允许用户在 init_clause 定义自己的局部变量，并允许使用自己的类型？

问题一：如何实现 before 和 after 部分

对比前面的图例，我们知道 before 和 after 的部分实际上分别对应 for 循环的 cond_expression 和 iteration_expression；同时，这两个部分都必须是表达式——由于表达式的限制，能插入在 before 和 after 部分的内容实际上就只能是“普通表达式”或者是“函数”。由于我们还必须至少借助 cond_expression 来实现 “只运行一次” 的功能，如何见缝插针的实现 before 的功能呢？不绕弯子，看代码：

//! 假设用户要插入的内容我们都放在叫做 before 和after的函数里
extern void before(void);
extern void after(void);
for (int i = 1; //!< init_clause
i--?(before(),1):0; //!< cond_expression
after()) //!< iteration_expression
{
...
}

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我们知道，cond_expression 只在乎用户表达式的返回值是0还是非0，因此，这里其实真正起作用的本体是 "i--"——第一次判断的时候返回值是1，由于自减操作，第二次判断的时候就是0了——这就完成了让 for 运行且只运行一次的功能。接下来，我们借助一个问好表达式，尝试给 i-- 的结果做一个等效“解释”，即：

(i--) ? 1 : 0

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用人话说就是，如果（i--）值是非0的，我们就返回1，反之返回0。这么做的意义是为了进一步通过逗号表达式对 "1" 所在的部分进行扩展：

(i--) ?
（before(), 1) //!< 使用逗哈表达式进行扩展
: 0

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由于逗号表达式只管最右边的结果，忽略所有左边的返回值，因此，哪怕before()函数没有实际返回值对C编译器来说都是无所谓的。同理，由于我们在cond_expression部分已经完成了所有功能，因此 iteration_expression 就任由我们宰割了——编译器原本就对此处表达式所产生的数值并不感兴——我们直接放下 after() 函数即可。

至此，插入 before() 和 after() 的问题圆满解决。

问题二：如何允许用户定义自己的局部变量，并且拥有自己的类型要解决这个问题，首先必须打破定势思维，即：for循环只能用整型变量。实际并非如此，对for来说真正起作用的只有 cond_expression 的返回值，而它只关心用户的表达式返回的布尔量是什么——换句话说，有无数种方法来产生 cond_expression，而使用普通的整形计数器，并对其进行判断只是众多方法中的一种。
打破了这一定势思维后，我们就从问题本身出发考虑：允许用户用自己的类型定义自己的变量——虽然看似我们并不能知道用户会用什么类型来定义变量，因而就无法写出通用的 cond_expression 来实现“让for执行且执行一次”的功能，然而，你们也许忘记了 init_clause 的一个特点：它还可以定义指针——换句话说，无论用户定义了什么类型，我们都可以在最后定义一个指向该类型的指针：

#define using(__declare, __on_enter_expr, __on_leave_expr) \
for (__declare, *_ptr = NULL; \
_ptr++ == NULL ? \
((__on_enter_expr),1) : 0; \
__on_leave_expr \
)

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为了验证我们的结果，不妨写一个简单的代码：

using(int a = 0,printf("========= On Enter =======\r\n"),
printf("========= On Leave =======\r\n"))
{
printf("\t In Body a=%d \r\n", ++a);
}

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这是对应的执行效果：

我们不妨将上述的宏进行展开，一个可能的结果是：

for (int a = 0, *_ptr = NULL;
_ptr++ == NULL ? ((printf("========= On Enter =======\r\n")),1) : 0;
printf("========= On Leave =======\r\n") )
{
printf("\t In Body a=%d \r\n", ++a);
}

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从 init_clause 的展开结果来看，完全符合要求：

int a = 0, *_ptr = NULL;

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接下来，为了提高宏的鲁棒性，我们可以继续做一些改良，比如给指针一个唯一的名字：

#define using(__declare, __on_enter_expr, __on_leave_expr) \
for (__declare, *CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr) = NULL; \
CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr)++ == NULL ? \
((__on_enter_expr),1) : 0; \
__on_leave_expr \
)

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这里，实际上是使用了前面文章中介绍的宏 CONNECT3() 将 “__using_”，__LINE__所表示的当前行号，以及 "_ptr" 粘连在一起，形成一个唯一的局部变量名：

CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr)

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如果你对 CONNECT() 宏的来龙去脉感兴趣，可以单击这里。

更进一步，如果用户有不同的需求：比如想定义两个以上的局部变量，或是想省确 __on_enter_expr 或者是 __on_leave_expr ——我们完全可以定义多个不同版本的 using：

#define __using1(__declare) \
for (__declare, *CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr) = NULL; \
CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr)++ == NULL; \
)
#define __using2(__declare, __on_leave_expr) \
for (__declare, *CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr) = NULL; \
CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr)++ == NULL; \
__on_leave_expr \
)
#define __using3(__declare, __on_enter_expr, __on_leave_expr) \
for (__declare, *CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr) = NULL; \
CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr)++ == NULL ? \
((__on_enter_expr),1) : 0; \
__on_leave_expr \
)
#define __using4(__dcl1, __dcl2, __on_enter_expr, __on_leave_expr) \
for (__dcl1, __dcl2, *CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr) = NULL; \
CONNECT3(__using_, __LINE__,_ptr)++ == NULL ? \
((__on_enter_expr),1) : 0; \
__on_leave_expr \
)

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借助宏的重载技术，我们可以根据用户输入的参数数量自动选择正确的版本：

#define using(...) \
CONNECT2(__using, VA_NUM_ARGS(__VA_ARGS__))(__VA_ARGS__)

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至此，我们完成了对 for 的改造，并提出了__using1, __using2, __using3 和 __using4 四个版本变体。那么问题来了，他们分别有什么用处呢？

【提供不阻碍调试的代码封装】

前面的文章中，我们曾有意无意的提供过一个实现原子操作的封装：即在代码的开始阶段关闭全局中断并记录此前的中断状态；执行用户代码后，恢复关闭中断前的状态。其代码如下：

#define SAFE_ATOM_CODE(...) \
{ \
uint32_t CONNECT2(temp, __LINE__) = __disable_irq(); \
__VA_ARGS__ \
__set_PRIMASK((CONNECT2(temp, __LINE__))); \
}

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因此可以很容易的通过如下的代码来保护关键的寄存器操作：

/**
\fn void wr_dat (uint16_t dat)
\brief Write data to the LCD controller
\param[in] dat Data to write
*/
static __inline void wr_dat (uint_fast16_t dat)
{
SAFE_ATOM_CODE (
LCD_CS(0);
GLCD_PORT->DAT = (dat >> 8); /* Write D8..D15 */
GLCD_PORT->DAT = (dat & 0xFF); /* Write D0..D7 */
LCD_CS(1);
)
}

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唯一的问题是，这样的写法，在调试时完全没法在用户代码处添加断点（编译器会认为宏内所有的内容都写在了同一行），这是大多数人不喜欢使用宏来封装代码结构的最大原因。借助 __using2，我们可以轻松的解决这个问题：

#define SAFE_ATOM_CODE() \
__using2( uint32_t CONNECT2(temp,__LINE__) = __disable_irq(), \
__set_PRIMASK(CONNECT2(temp,__LINE__)))

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修改上述的代码为：

static __inline void wr_dat (uint_fast16_t dat)
{
SAFE_ATOM_CODE() {
LCD_CS(0);
GLCD_PORT->DAT = (dat >> 8); /* Write D8..D15 */
GLCD_PORT->DAT = (dat & 0xFF); /* Write D0..D7 */
LCD_CS(1);
}
}

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由于using的本质是 for 循环，因为我们可以通过花括号的形式来包裹用户代码，因此，可以很方便的在用户代码中添加断点，单步执行。至于原子保护的功能，我们不妨将上述代码进行宏展开：

static __inline void wr_dat (uint_fast16_t dat)
{
for (uint32_t temp154 = __disable_irq(), *__using_154_ptr = NULL;
__using_154_ptr++ == NULL ? ((temp154 = temp154),1) : 0;
__set_PRIMASK(temp154) )
{
LCD_CS(0);
GLCD_PORT->DAT = (dat >> 8);
GLCD_PORT->DAT = (dat & 0xFF);
LCD_CS(1);
}
}

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通过观察，容易发现，这里巧妙使用 init_clause 给 temp154 变量进行赋值——在关闭中断的同时保存了此前的状态；并在原本 after 的位置放置了恢复中断的语句 __set_PRIMASK(temp154)。

举一反三，此类方法除了用来开关中断以外，还可以用在以下的场合：

在OOPC中自动创建类，并使用 before 部分来执行构造函数；在 after 部分完成类的析构。
在外设操作中，在 init_clause 部分定义指向外设的指针；在 before部分 Enable或者Open外设；在after部分Disable或者Close外设。
在RTOS中，在 before 部分尝试进入临界区；在 after 部分释放临界区
在文件操作中，在 init_clause 部分尝试打开文件，并获得句柄；在 after 部分自动 close 文件句柄。
在有MPU进行内存保护的场合，在 before 部分，重新配置MPU获取目标地址的访问权限；在 after部分再次配置MPU，关闭对目标地址范围的访问权限。
……

【构造with块】

不知道你们在实际应用中有没有遇到一连串指针访问的情形——说起来就好比是：

你邻居的->朋友的->亲戚家的->一个狗的->保姆的->手机

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如果我们要操作这里的“手机”，实在是不想每次都写这么一长串“恶心”的东西，为了应对这一问题，Visual Basic（其实最早是Quick Basic）引入了一个叫做 WITH 块的概念，它的用法如下：

WITH 你邻居的->朋友的->亲戚家的->一个狗的->保姆的->手机
# 这里可以直接访问手机的各项属性，用 “.” 开头就行
. 手机壳颜色 = xxxxx
. 贴膜 = 玻璃膜
END WITH

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不光是Visual Basic，我们使用C语言进行大规模的应用开发时，或多或少也会遇到同样的情况，比如，配置 STM32 外设时，填写外设配置结构体的时候，每一行都要重新写一遍结构体变量的名字，也是在是很繁琐：

static UART_HandleTypeDef s_UARTHandle = UART_HandleTypeDef();
s_UARTHandle.Instance = USART2;
s_UARTHandle.Init.BaudRate = 115200;
s_UARTHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
s_UARTHandle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
s_UARTHandle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
s_UARTHandle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
s_UARTHandle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

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入股有了with块的帮助，上述代码可能就会变得更加清爽，比如：

static UART_HandleTypeDef s_UARTHandle = UART_HandleTypeDef();
with(s_UARTHandle) {
.Instance = USART2;
.Init.BaudRate = 115200;
.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
}

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遗憾的是，如果要完全实现上述的结构，在C语言中是不可能的，但借助我们的 using() 结构，我们可以做到一定程度的模拟：

#define with(__type, __addr) using(__type *_p=(__addr))
#define _ (*_p)

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在这里，我们要至少提供目标对象的类型，以及目标对象的地址：

static UART_HandleTypeDef s_UARTHandle = UART_HandleTypeDef();
with(UART_HandleTypeDef &s_UARTHandle) {
_.Instance = USART2;
_.Init.BaudRate = 115200;
_.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
_.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
_.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
_.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
_.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
}

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注意到，这里“_”实际上被用来替代 s_UARTHandle——虽然感觉有点不够完美，但考虑到脚本语言 perl 有长期使用 "_" 表示本地对象的传统，这样一看，似乎"_" 就是一个对 "perl" 的完美致敬了。

【回归本职 foreach】

很多高级语言都有专门的 foreach 语句，用来实现对数组（或是链表）中的元素进行逐一访问。原生态C语言并没有这种奢侈，即便如此，Linux也定义了一个“野生”的 foreach 来实现类似的功能。为了演示如何使用 using 结构来构造 foreach，我们不妨来看一个例子：

typedef struct example_lv0_t {
uint32_t wA;
uint16_t hwB;
uint8_t chC;
uint8_t chID;
} example_lv0_t;
example_lv0_t s_tItem[8] = {
{.chID = 0},
{.chID = 1},
{.chID = 2},
{.chID = 3},
{.chID = 4},
{.chID = 5},
{.chID = 6},
{.chID = 7},
};

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我们希望实现一个函数，能通过 foreach 自动的访问数组 s_tItem 的所有成员，比如：

foreach(example_lv0_t, s_tItem) {
printf("Processing item with ID = %d\r\n", _.chID);
}

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跟With块一样，这里我们仍然“致敬” perl——使用 "_" 表示当前循环下的元素。在这个例子中，为了使用 foreach，我们需要提供至少两个信息：目标数组元素的类型（example_lv0_t）和目标数组（s_tItem）。

这里的难点在于，如何定义一个局部的指针，并且它的作用范围仅仅只覆盖 foreach 的循环体。此时，坐在角落里的 __with1() 按耐不住了，高高的举起了双手——是的，它仅有的功能就是允许用户定义一个局部变量，并覆盖由第三方所编写的、由 {} 包裹的区域：

#define dimof(__array) (sizeof(__array)/sizeof(__array[0]))
#define foreach(__type, __array) \
__using1(__type *_p = __array) \
for ( uint_fast32_t CONNECT2(count,__LINE__) = dimof(__array); \
CONNECT2(count,__LINE__) > 0; \
_p++, CONNECT2(count,__LINE__)-- \
)

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上述的宏并不复杂，大家完全可以自己看懂，唯一需要强调的是，using() 的本质是一个for，因此__using1() 下方的for 实际上是位于由 __using1() 所提供的循环体内的，也就是说，这里的局部变量_p其作用域也覆盖下面的for 循环，这就是为什么我们可以借助：

#define _ (*_p)

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的巧妙代换，通过 “_” 来完成对指针“_p”的使用。为了方便大家理解，我们不妨将前面的例子代码进行宏展开：

for (example_lv0_t *_p = s_tItem, *__using_177_ptr = NULL;
__using_177_ptr++ == NULL ? ((_p = _p),1) : 0;
)
for ( uint_fast32_t count177 = (sizeof(s_tItem)/sizeof(s_tItem[0]));
count177 > 0;
_p = _p+1, count177-- )
{
printf("Processing item with ID = %d\r\n", (*_p).chID);
}

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其执行结果为：

foreach目前的用法看起来“岁月静好”，似乎没有什么问题，可惜的是，一旦进行实际的代码编写，我们会发现，假如我们要在 foreach 结构中再用一个foreach，或是在foreach中使用 with 块，就会出现 “_” 被覆盖的问题——也就是在里层的 foreach或是 with 无法通过 “_” 来访问外层"_" 所代表的对象。为了应对这一问题，我们可以对 foreach 进行一个小小的改造——允许用户再指定一个专门的局部变量，用于替代"_" 表示当前循环下的对象：

#define foreach2(__type, __array) \
using(__type *_p = __array) \
for ( uint_fast32_t CONNECT2(count,__LINE__) = dimof(__array); \
CONNECT2(count,__LINE__) > 0; \
_p++, CONNECT2(count,__LINE__)-- \
)
#define foreach3(__type, __array, __item) \
using(__type *_p = __array, *__item = _p, _p = _p, ) \
for ( uint_fast32_t CONNECT2(count,__LINE__) = dimof(__array); \
CONNECT2(count,__LINE__) > 0; \
_p++, __item = _p, CONNECT2(count,__LINE__)-- \
)

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这里的 foreach3 提供了3个参数，其中最后一个参数就是用来由用户“额外”指定新的指针的；与之相对，老版本的foreach我们称之为 foreach2，因为它只需要两个参数，只能使用"_"作为对象的指代。进一步的，我们可以使用宏的重载来简化用户的使用：

#define foreach(...) \
CONNECT2(foreach, VA_NUM_ARGS(__VA_ARGS__))(__VA_ARGS__)

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经过这样的改造，我们可以用下面的方法来为我们的循环指定一个叫做"ptItem"的指针：

foreach(example_lv0_t, s_tItem, ptItem) {
printf("Processing item with ID = %d\r\n", ptItem->chID);
}

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展开后的形式如下：

for (example_lv0_t *_p = s_tItem, ptItem = _p, *__using_177_ptr = NULL;
__using_177_ptr++ == NULL ? ((_p = _p),1) : 0;
)
for ( uint_fast32_t count177 = (sizeof(s_tItem)/sizeof(s_tItem[0]));
count177 > 0;
_p = _p+1, ptItem = _p, count177-- )
{
printf("Processing item with ID = %d\r\n", ptItem->chID);
}

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代码已经做了适当的展开和缩进，这里就不作进一步的分析了。

【后记】

本文的目的，算是对【为宏正名】系列所介绍的知识进行一次示范——告诉大家如何正确的使用宏，配合已有的老的语法结构来“固化”一个新的模板，并以这个模板为起点，理解它的语法意义和用户，简化我们的日常开发。在这篇文章中，老的语法结构就是 for，它是由C语言原生支持的，借助宏，我们封装了一个新的语法结构 using(), 借助它的4种不同形式、理解它们各自的特点，我们又分别封装了非常实用的SAFE_ATOM_CODE()，With块和foreach语法结构——他们的存在至少证明了以下几点：

宏不是奇技淫巧
宏可以封装出其它高级语言所提供的“基础设施”
设计良好的宏可以提升代码的可读性，而不是破坏它
设计良好的宏并不会影响调试
宏可以用来固化某些模板，避免每次都重新编写复杂的语法结构，在这里，using() 模板的出现，避免了我们每次都重复通过原始的 for 语句来构造所需的语法结构，极大的避免了重复劳动，以及由重复劳动所带来的出错风险