再谈C语言中的语句

在《C语言编程魔法书》中的14章第6节已经详细讨论了C语言的六种语句：标签语句（labeled statement）、复合语句（compound statement）、表达式语句（expression statement）、选择语句（selection statement）、迭代语句（iteration statement）以及跳转语句（jump statement）。这里，我将对其中的表达式语句中的一种特殊形式的语句再做讨论——即空语句（null statement）。空语句在《C语言编程魔法书》中没怎么提到，这里正好做个补充。

空语句属于一种特殊的表达式语句，其表达式完全为空，即就一个分号（ ; ）所构成的一条表达式语句。这里我们需要注意，别把void表达式语句、空语句、空复合语句搞混了，以下先展示这三种不同的语句概念：

(void)0;    // 这是一条void表达式语句

;           // 这是一条空语句

{ }         // 这是一条空的复合语句

空语句可以出现在所有语句所能出现的地方，一般来说它没有特殊语义。但是这里各位需要注意的是，C语言中分号可作为一条表达式语句、声明和定义的结束符，也能表示一条空语句，这是分号的两种不同的语义。此外，C语言标准中其实把声明/定义同语句是分开的，因此声明和定义不属于语句。如果我们把“声明”写作为“声明语句”就显得不够专业了～😄 另外，复合语句的 } 可作为结束符；而在声明和定义中，只有定义函数时，} 才能作为结束符，而其他场合则不行。
下面我们举个例子：

int a = 0;    // 这里的分号表示声明的结束
a = 1; ;      // 这里有两个分号，左边的表示表达式语句的结束，右边的则表示一条空语句。因此这里有两条语句。

C语言中除了表达式语句和跳转语句，其他类型的语句都需要跟一条其他语句来构成一条完整语句的。比如说：

int a = 0;

LABEL:    a = 1;        // 这是一条标签语句，在标签LABEL后面跟了一条表达式语句

if(a > 0) a = -a;       // 这是一条选择语句，其后面伴随的是一条表达式语句作为一条完整的语句

for(;;);                // 这是一条迭代语句，其后面伴随的是一条空语句构成一条完整的语句

while(a > 0) { --a; }   // 这是一条迭代语句，其后面伴随一条复合语句构成一条完整的语句

if(a < 0) a++;
else { --a; }            // 这里从if开始到最后 } 结束是一条完整的选择语句

以上这些概念请务必牢记，后面提到的容易触碰的“陷阱”其实就与语句的性质与条数有关。

我们上面已经提到了，标签语句、选择语句和迭代语句需要伴随一条这6种语句中的任何一条作为完整语句，而且无论是哪种情况均可跟任何一种语句。为了方便起见，我们可以把标签语句的LABEL:，选择语句的if(condition)和switch(selection)，迭代语句的while(condition)和for(sub-clauses)看作为“头”（header），然后后面再跟一条6种语句中的任何一种。因此，我们现在可以放开脑洞，看看以下代码，这些代码都是合法有效的，完全能通过编译的：

static void ctest(void)
{
    int a = 10;
    
    // 这里的选择语句头后面跟着一条标签语句
    if(a > 0)
LABEL:
        ++a;
    
    // 这里的选择语句头后面跟着一条跳转语句
    if(a < 0)
        goto LABEL;
    
    // 这里的标签语句头后面跟着一条选择语句
LABEL2:
    if(a == 0);
    
    // 这里的选择语句头后面跟着一条空语句
    switch(a);
    
    // 这里的选择语句头后面跟着一条标签语句
    switch(a)
LABEL3:
        ++a;    // 这里的 ++a; 将永远执行不到，除非显式使用goto跳转语句跳到LABEL3
    
    // 这里的选择语句头后面跟着一条标签语句
    switch (a)
LABEL4:
    {
    case 11:
        puts("case 11 reached!!");
        break;
        
    case 12:
        puts("case 12 reached!!");
        break;
        
    default:
        puts("default case reached!!");
        break;
    }
    
    if(a == 11)
    {
        ++a;
        goto LABEL4;
    }
    
    // 这里选择语句头后面跟着一条标签语句：case 12: --a;
    switch(a)
        case 12:
        --a;    // 这里的 --a; 将会被执行到。
    // 这里后面不允许添加 break; 跳转语句，因为到 --a; 为止已经是一条完整的选择语句了。
}

当你执行ctest函数之后，控制台将会打印出两行“ case 11 reached!! ”。看到这里，各位不要被C语言的灵活性吓到😅～正因如此，C语言在语法体系的设计方面是相当完备的。这里要详细讨论的是“LABEL4”这块。“LABEL4”所引出的标签语句与选择语句头switch(a)一起组成了一条完整的选择语句。这里与上面“LABEL3”处的选择语句不同，由于LABEL4标签语句是由一条带有case标签组的复合语句构成，因此这里完全可以跟switch配对上。因而，当执行到“LABEL4”上面的switch(a)之后，下面的case语句将会被选择执行。

此外，由于“LABEL4”所引出的是一条标签语句，因此这里变量a的上下文将会被保持住，后续对a的修改不影响这里的case判断。也就是说，在LABEL4处的a的值已经被hold住不变了，我们可以认为这里的a被赋值给了一个隐藏的临时常量，而后面的case标签语句将会根据此隐藏的临时常量的值进行选择执行。因此，这个函数被执行后将会两次都输出“ case 11 reached!! ”。

了解了上述语句的特性之后，我们以后在写选择语句、迭代语句的时候就要务必小心了，不要很悠哉地乱加分号，以免引起很难发现的bug。对于一般的表达式语句，后面跟多少分号都没问题，比如：

int a = 0;
a++;;;    // 这里其实有三条语句😄

但以下代码将是一个bug：

int a = 0;
for(int i = 0; i < 10; i++);    // 这里来了个分号……😅
    ++a;

大家猜猜，上述代码执行后，a的值是几？😏

有了上述对C语言选择语句和迭代语句潜在的陷阱之后，我们下面就要聊聊一些更高级的主题了——当一个宏定义遇上选择语句或迭代语句之后，会发生神马化学反应～

我们有时为了封装一些代码块，会使用宏函数。不过在使用宏函数的时候也很有可能会引发一些意向不到的问题，尤其是该宏函数与选择语句、循环语句连用的场合，比如以下代码：

#define MY_MACRO(n)    if((n) > 0) { printf("n = %d\n", n); puts("PASS!"); }

这句代码初步看起来没啥问题吧？然而，我们再看看以下代码会发生神马：

    int n = 100;
    
    if(n >= 10)
        MY_MACRO(10);
    else    // 发生编译错误：Expected expression
    {
        puts("n below ")
    }

我们看到，这个看似朴素的宏函数“MY_MACRO”上面加了if语句之后，这里就出问题了！问题原因在哪儿？上面已经详细讨论过了。由于MY_MACRO在预处理时进行宏展开后，实际上是一条完整的选择语句，然而这里MY_MACRO(10)后面又跟了一个分号，导致了该分号作为一条空语句的形式出现，从而与else无法配上。这里，MY_MACROz(10)宏展开后如以下代码所示：

    int n = 100;
    
    if(n >= 10)
        if((n) > 0)
            { printf("n = %d\n", n); puts("PASS!"); } ;
    else    // 发生编译错误：Expected expression
    {
        puts("n below 10!");
    }

所以，我们如果写成以下形式则可避免宏展开后发生编译错误：

    int n = 100;
    
    if(n >= 10)
    {
        MY_MACRO(10);
    }
    else    // 发生编译错误：Expected expression
    {
        puts("n below 10!");
    }

当然，如果我们强迫第三方开发者一定要在选择、迭代语句后要用复合语句，那么似乎也属于要求比较苛刻了，那么我们自己定义的宏函数用哪些技巧可以使得调用起来更加灵活，不加如此约束呢？我们在市面上看到比较常用的是使用do-while迭代语句。do-while有何好处呢？while()在最后并不是以 } 符号结尾的，因此后面所跟的分号将作为整条迭代语句的结束符使用，而不会变成空语句。比如：

#define MY_MACRO(n)    do { \
        if((n) > 0) { printf("n = %d\n", n); puts("PASS!"); }    \
    } while(0)    // 注意，这里可不能加分号


int main(int argc, const char * argv[])
{
    int x = 100;
    
    if(x >= 10)
        MY_MACRO(10);
    else
    {
        puts("x below 10!");
    }
}

这么一来，我们可以看到上述代码编译、运行都不会有任何问题。当然，除了do-while之外还可以用其他技巧，总之，我们的目标就是要把宏函数调用后面的分号作为语句的结束符，而不是空语句。比如，我这里“别出心裁”地使用if-else选择语句，当然不能说这种解决方案完全完美，但还是能解决问题😊

#define MY_MACRO(n)     if((n) > 0) { printf("n = %d\n", n); puts("PASS!"); } \
                        else


int main(int argc, const char * argv[])
{
    int x = 100;
    
    if(x >= 10)
        MY_MACRO(10);
    else
    {
        puts("x below 10!");
    }
}

这段代码编译运行也不会有任何问题。而且宏定义部分也比之前的do-while版本更简洁清爽。

我这里也属于抛砖引玉，大家可以随之打开脑洞，设计出更有创造力的表达方式。