问题

请问#define PI 3.1416比float pi=3.1416有什么优势呢?

回答
好的,我们来聊聊在 C/C++ 编程中,使用 `define PI 3.1416` 和 `float pi = 3.1416;` 这两种方式定义圆周率有什么区别,以及为什么在某些情况下 `define` 会更有优势。

这不仅仅是两种语法上的写法不同,它们背后涉及到了 预处理 和 编译 这两个不同的阶段,以及由此带来的 类型安全、内存占用、调试便利性 等等一系列影响。

预处理 vs. 编译:根本的区别

要理解 `define` 和 `float` 的优势,首先得知道它们工作的阶段:

1. `define` 是预处理器的工作:
在 C/C++ 代码真正被编译器处理之前,有一个叫做“预处理器”的工具会先对代码进行“文本替换”。
当你写 `define PI 3.1416` 时,预处理器会扫描你的整个程序,遇到每一个 `PI` 这个标识符,就把它们 直接替换成 `3.1416` 这个文本。
你可以想象成它是一个超级强大的“查找并替换”功能,而且执行得非常彻底。

2. `float pi = 3.1416;` 是编译器的工作:
这行代码是一个变量的声明和初始化。
编译器在编译阶段会理解这是一个名为 `pi` 的变量,它被声明为一个 `float` 类型,并且被赋予了 `3.1416` 这个值。
编译器会为这个变量在内存中分配空间,并生成相应的机器指令来处理这个浮点数。

`define PI 3.1416` 的优势在哪里?

正是由于预处理阶段的“文本替换”特性,`define` 带来了一些独特的优势,尤其是在一些特定场景下:

1. 没有类型信息,纯粹的文本替换

优势:
更快的编译速度(在某些情况下): 因为预处理器只是做文本替换,不涉及类型检查和复杂的语义分析,所以对于简单的宏定义,预处理阶段会比编译器处理变量声明更快一些。当然,这个优势在现代复杂的项目里可能不那么显著,但理论上存在。
不受类型限制: `PI` 可以被替换成任何文本,比如一个表达式 `(22.0/7.0)`,或者一个字符串 `"Hello"`。虽然定义圆周率时我们用的是数字,但在其他场景下,这种灵活性很重要。
潜在的性能优化: 编译器在看到 `define PI 3.1416` 后,会将代码中的 `PI` 直接替换成 `3.1416`。如果 `PI` 在很多地方被使用,那么编译器就不需要去查找 `pi` 这个变量的内存地址,而是直接将字面量 `3.1416` 嵌入到生成的机器码中。这 可能 会减少一次内存读取的指令,理论上能带来微小的性能提升。想象一下,CPU 每次需要 `PI` 的值时,不是去内存里找 `pi` 这个变量,而是直接使用一个预先写好的常数,这会更直接高效。

举例说明:
假设你有这样的代码:
```c++
define RADIUS 5.0
// ... 很多地方用到 RADIUS
double area = 3.14159 RADIUS RADIUS;
```
预处理器会将其变成:
```c++
// ... 很多地方用到 5.0
double area = 3.14159 5.0 5.0;
```
编译器直接看到的是 `3.14159 5.0 5.0`,它会直接将 `5.0` 这个值编译进指令里,而不是去内存里取 `RADIUS` 这个变量的值。

2. 减少内存占用(理论上)

优势:
当 `PI` 被 `define` 时,它并不在内存中占用一个独立的变量空间。它只是一个在编译前被替换掉的文本。
而 `float pi = 3.1416;` 则会在内存中为 `pi` 分配一个 `float` 类型的存储空间,即使 `pi` 的值从不改变。

举例说明:
在一个非常大的程序中,如果 `PI` 在成千上万个地方被使用,并且我们使用 `float pi = 3.1416;`,那么在内存中就会有成千上万个 `pi` 的副本(当然,编译器可能会进行优化,但这取决于编译器)。而 `define PI 3.1416`,所有 `PI` 都被替换成 `3.1416` 字面量,内存占用更少。

3. 跨文件和链接时的一致性

优势:
`define` 的替换是发生在编译前的文本阶段。这意味着,如果你在一个头文件(`.h`)中定义了 `define PI 3.1416`,然后在多个源文件(`.c` 或 `.cpp`)中包含这个头文件,那么在每个源文件被编译时,`PI` 都会被正确地替换成 `3.1416`。这是一种“局部”的文本替换,不会引入多重定义的问题(除非你也在其他地方用 `define` 定义了同名宏)。
相反,如果你在某个 `.cpp` 文件中定义 `float pi = 3.1416;`,然后在另一个 `.cpp` 文件中声明 `extern float pi;` 并使用它,这样是可以工作的。但是,如果你不小心在多个 `.cpp` 文件中都定义了 `float pi = 3.1416;`(并且没有使用 `static` 或匿名命名空间来限制其作用域),那么在链接阶段就会因为“多重定义”而报错。

4. 宏的条件编译能力

优势:
`define` 是 C/C++ 预处理指令的一部分,它与条件编译指令(如 `ifdef`, `ifndef`, `if`, `else`, `endif`)配合使用,可以根据不同的编译环境或配置,选择性地包含或排除代码段。
虽然定义一个常量不需要用到这个特性,但这是 `define` 的一种强大能力,而 `float` 变量不具备。

举例说明:
```c++
ifdef USE_HIGH_PRECISION_PI
define PI 3.14159265358979323846
else
define PI 3.14159
endif

// ... 使用 PI
```
这使得我们可以轻松地根据编译选项来切换 `PI` 的精度。

`float pi = 3.1416;` 的优势是什么?(为什么有时它更好?)

虽然 `define` 有其优势,但现代 C++ 编程更倾向于使用 `const` 变量来定义常量,而不是 `define`。这是因为 `float pi = 3.1416;` 形式(或更推荐的 `const float pi = 3.1416;`)具有 `define` 所不具备的优势:

1. 类型安全

优势: `float pi = 3.1416;` 是一个带有明确类型的变量。编译器会检查所有使用 `pi` 的地方是否与 `float` 类型兼容。
问题: `define PI 3.1416` 是纯文本替换。如果你的代码中有 `int result = PI 2;`,预处理器会将其变成 `int result = 3.1416 2;`。编译器会处理这个浮点数与整数的乘法,可能会有隐式类型转换。如果你的代码是 `int result = PI;`,会被替换成 `int result = 3.1416;`,编译器会进行截断,生成一个整数 `3`。这种行为可能不是你想要的,而且编译器可能不会给出明确的警告。
使用 `const` 的好处: `const float pi = 3.1416;` 就避免了这个问题。编译器知道 `pi` 是一个 `float`,当你说 `int result = pi;` 时,它会明确知道你在进行一个浮点数到整数的转换,并且会发出警告(如果设置了相应的编译选项),让你意识到潜在的精度损失。

2. 作用域和生命周期

优势: 变量有作用域(例如,可以在一个函数、一个类、一个命名空间内定义,限制其可见性),也有生命周期。
问题: `define` 定义的宏没有作用域的概念。一旦定义,它在整个编译单元(即被编译的那个 `.cpp` 文件)中都会生效,直到 `undef` 或者编译结束。这可能导致命名冲突,特别是在大型项目中,你可能无意中使用了别人定义的宏。
使用 `const` 的好处: 你可以像定义普通变量一样,将 `const` 变量放在特定的命名空间、类或者函数中,从而限制其可见性和潜在的命名冲突。

3. 可调试性

优势: `float pi = 3.1416;` 定义的是一个变量。在调试器中,你可以看到 `pi` 的值,并且可以像查看其他变量一样观察它。
问题: `define PI 3.1416` 定义的是一个宏。在调试器中,你无法直接看到 `PI` 这个“符号”,因为它在编译前就被替换掉了。你只能看到被替换后的字面量 `3.1416`。这使得追踪和调试包含宏的代码变得困难。

4. 内存地址

优势: `float pi = 3.1416;` 是一个变量,它有自己的内存地址。
问题: `define PI 3.1416` 只是一个文本标记。在生成的机器码中,它会被直接替换成常量值,这个值是内联的,不一定有一个固定的内存地址(尽管某些编译器可能会优化,将频繁使用的字面量存放在一个只读数据段,但这不是由 `define` 本身保证的)。
使用 `const` 的好处: 如果你想获取 `PI` 的地址(虽然对于常量来说这不常见,但在某些底层操作中可能需要),`const float pi = 3.1416;` 可以做到,而 `define` 不能。

现代 C++ 的推荐方式:`const` 和 `constexpr`

考虑到 `float pi = 3.1416;` 的改进版本,即使用 `const` 或 `constexpr`,往往是更好的选择:

`const float pi = 3.1416;`
具有类型安全、作用域、生命周期和调试能力。
编译器通常会将 `const` 变量优化为像宏一样的内联值,尤其是在它们只被读取且没有取地址的情况下。
`float` 相比 `double` 的精度较低,定义圆周率通常更推荐使用 `double`。

`const double pi = 3.141592653589793;`
使用 `double` 提供更高的精度。

`constexpr double pi = 3.141592653589793;`
在 C++11 及以后版本中,`constexpr` 是定义常量最推荐的方式。
它明确表示这是一个编译时常量,可以用于需要编译时计算的场合(例如数组大小、模板参数等)。
它具备 `const` 的所有优点,并且更严格地保证了编译时计算。

总结:`define` 的优势在特定场景下显现,但现代 C++ 倾向于 `const` 和 `constexpr`

`define PI 3.1416` 的主要优势体现在:

纯文本替换机制: 带来潜在的更小的内存占用和某些情况下的性能提升(通过避免内存读取),以及跨文件的一致性(作为文本替换)。
不受类型限制的灵活性: 可以定义任意文本替换。
与条件编译配合使用: 方便进行代码的条件编译。

然而,这些优势往往伴随着以下缺点,是 `float pi = 3.1416;` (或 `const` / `constexpr`)所避免的:

缺乏类型安全: 容易导致意外的类型转换和难以察觉的错误。
没有作用域: 可能引发命名冲突。
难以调试: 在调试器中无法直接查看宏的定义。
没有内存地址: 无法对其取地址。

所以,在定义像圆周率这样的常量时,虽然 `define` 可以工作且有其“古老”的优势,但现代 C++ 编程实践强烈建议使用 `const double pi = ...;` 或 `constexpr double pi = ...;`。它们提供了更好的类型安全、作用域管理和调试便利性,并且在现代编译器高度优化的环境下,在性能和内存占用上的劣势通常可以忽略不计,甚至有时表现得更好。

选择哪种方式,取决于你对项目需求、代码可维护性、可调试性以及潜在的编译器行为的权衡。对于像圆周率这样简单的常量,倾向于 `const` 或 `constexpr` 是更稳妥且推荐的做法。而 `define` 的威力更多体现在条件编译和简单的文本替换(如防止头文件被重复包含 `ifndef _MY_HEADER_H_ ... endif`)等预处理阶段的特殊用途上。

网友意见

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按照古老的汇编知识,编译器应该是把 #define 做直接的替换,然后汇编指令里使用立即数,避免了一次mov操作,进而得到更高的性能。而定义变量的方式,则一方面会占用内存,计算时还需要将数据从内存mov到寄存器,所以会慢一些。

可惜我使用了gcc在x86_64、arm、avr上的三个版本以及各种优化选项。得到的结果都没有找到将 #define作为汇编立即数的玩法。而是都是定义一个区域后,当作全局变量/静态变量的方式,再mov到寄存器使用的。

开始还怀疑只是浮点数会有这个问题,后来换了整数发现还是这样。gcc还是让我很失望的。

立即数是指做计算时的一个操作数是直接写在指令里的,而非在寄存器里,这样会节省内存和寄存器资源,避免了缓慢的内存倒腾寄存器过程。在高性能计算过程会有很大的性能提升。只是可惜我在gcc里没能复现出这个本该出现的优化。

如下是我写的测试用的C程序 definef.c:

#include <stdio.h>

#define PI_D 3.1416
#define TEN 10

float calc1(float factor) {
return (TEN * factor);
}

float calc2(float factor) {
//float PI_V=3.1416;
int ten=10;
return (ten * factor);
}

int main() {
//printf("%f, %f ", calc1(), calc2());
calc1(2030);
calc2(2030);
return 0;
}

编译到汇编的命令:

gcc -S definef.c

随后可以打开文件 definef.s 来查看生成的汇编代码:

.file "definef.c"
.text
.globl calc1
.type calc1, @function
calc1:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movss %xmm0, -4(%rbp)
movss -4(%rbp), %xmm1
movss .LC0(%rip), %xmm0
mulss %xmm1, %xmm0
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size calc1, .-calc1
.globl calc2
.type calc2, @function
calc2:
.LFB1:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movss %xmm0, -20(%rbp)
movl $10, -4(%rbp)
pxor %xmm0, %xmm0
cvtsi2ss -4(%rbp), %xmm0
mulss -20(%rbp), %xmm0
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE1:
.size calc2, .-calc2
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB2:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movss .LC1(%rip), %xmm0
call calc1
movss .LC1(%rip), %xmm0
call calc2
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE2:
.size main, .-main
.section .rodata
.align 4
.LC0:
.long 1092616192
.align 4
.LC1:
.long 1157480448
.ident "GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.12) 5.4.0 20160609"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits

从如上calc1标签可见。#define常量放在了标签 .LC0 里,随后被载入到了寄存器%xmm0。

真可惜,不过也越发激励了我的一个业余项目。给Python里内嵌汇编JIT的功能。使得可以直接写一段汇编代码并在运行时编译成可执行代码供优化性能。只要利用Python的格式化字符串来传入那些必要的变量到汇编立即数,就能获得比C/C++更高的性能了。

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优势就是前者可以兼容double跟float,甚至字符串,而且是编译期转换

后者用float损失了精度。而且用到不同类型比如字符串时需要运行期转换

浮点如果直接定义为const有类型常量通常需要定义两份,一份float一份double。而使用define这样的无类型常量定义就只需要定义一份。

之所以这样是因为浮点跟整数不同,整数类型之间转换是直接截断,没有开销。浮点类型之间转换是有开销的,不同浮点的存储格式不同。

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