C语言中:-!!的含义解析

技术背景

在C语言中，:-!!常出现在像BUILD_BUG_ON_ZERO这样的宏里，其目的是在编译时检查某个表达式是否能被求值为0，若不能，则导致编译失败。在C11标准之前，这是一种实现编译时检查的常用技巧。

实现步骤

以下是对表达式sizeof(struct { int: -!!(e); })的详细解析：

1. 计算表达式e：对表达式e进行求值。
2. 逻辑双重否定!!(e)：对e进行两次逻辑否定。若e == 0，结果为0；否则为1。
3. 数值取负-!!(e)：对步骤2的结果进行数值取负。若结果为0，则仍为0；否则为-1。
4. 当e为0时：struct{int: -!!(0);} 等价于 struct{int: 0;}，即声明一个宽度为0的匿名整数位域，这种情况是合法的，编译可正常进行。
5. 当e不为0时：struct{int: -!!(1);} 等价于 struct{int: -1;}，声明一个负宽度的位域会引发编译错误。

核心代码

BUILD_BUG_ON_ZERO示例

#define BUILD_BUG_ON_ZERO(e) (sizeof(struct { int: -!!(e); }))

MY_COMPILETIME_ASSERT示例

#define MY_COMPILETIME_ASSERT(test)              \
    do {                                         \
        extern void you_did_something_bad(void); \
        if (!(test))                             \
            you_did_something_bad(void);         \
    } while (0)

MAKE_SURE_THIS_IS_FIVE示例

#define MAKE_SURE_THIS_IS_FIVE(number)                          \
    do {                                                        \
        extern void this_isnt_five(void) __attribute__((error(  \
                "I asked for five and you gave me " #number))); \
        if ((number) != 5)                                      \
            this_isnt_five();                                   \
    } while (0)

STATIC_ASSERT_PLUS示例

#define STATIC_ASSERT_PLUS(expr) ( (struct { int val; static_assert((expr), "optional error message"); }){0}.val )

最佳实践

在C11及以后的标准中，建议使用_Static_assert（在C++中为static_assert）来实现编译时检查，因为它是标准的、清晰的，并且能避免一些旧方法带来的问题。例如：

#define STATIC_ASSERT_PLUS(expr) ( (struct { int val; static_assert((expr), "optional error message"); }){0}.val )

常见问题

命名困惑

BUILD_BUG_ON_ZERO这个宏名容易让人误解，实际上当输入表达式的值不为0时，构建才会失败。

未定义行为

在C或GNU C中，一个没有命名成员的结构体的行为是未定义的。例如struct { int: -!!(e); } 可能会导致未定义行为，尽管GCC允许一些扩展，但这种用法仍然缺乏明确的文档支持。

替代方案的限制

虽然有像使用未定义函数、GCC的error函数属性和语句表达式等替代方法，但它们存在一些限制，如不能作为常量初始化器、不能在函数体外使用等。