程序环境和预处理

文章目录

1、程序的翻译环境和执行环境
[2、详解编译 + 链接](#2、详解编译 + 链接)
- [2.1 翻译环境](#2.1 翻译环境)
- [2.2 编译本身也分为几个阶段：](#2.2 编译本身也分为几个阶段：)
- [2.3 运行环境](#2.3 运行环境)
3、预处理详解
- [3.1 预定义符号](#3.1 预定义符号)
- 3.2 #define
- - [3.2.1 #define 定义标识符](#define 定义标识符)
  - [3.2.2 #define 定义宏](#define 定义宏)
  - [3.2.3 #define 替换规则](#define 替换规则)
  - 3.2.4 #和##
  - [3.2.5 带副作用的宏参数](#3.2.5 带副作用的宏参数)
  - [3.2.6 宏和函数对比](#3.2.6 宏和函数对比)
  - [3.2.7 命名约定](#3.2.7 命名约定)
- 3.3 #undef
- [3.4 命令行定义](#3.4 命令行定义)
- [3.5 条件编译](#3.5 条件编译)
- - [3.5.1 常见的条件编译指令：](#3.5.1 常见的条件编译指令：)
- [3.6 文件包含](#3.6 文件包含)
- - [3.6.1 头文件被包含的方式：](#3.6.1 头文件被包含的方式：)

1、程序的翻译环境和执行环境

:编辑/Compose_96px:在 ANSI C 的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

第 1 种是翻译环境，在这个环境中源代码被转换为可执行的机器指令。

第 2 种是执行环境，它用于实际执行代码。

图示：

2、详解编译 + 链接

2.1 翻译环境

组成一个程序的每个源文件通过编译过程分别转换成目标代码（object code）。

每个目标文件由链接器（linker）捆绑在一起，形成一个单一而完整的可执行程序。

链接器同时也会引入标准 C 函数库中任何被该程序所用到的函数，而且它可以搜索程序员个人的程序库，将其需要的函数也链接到程序中。

图示：

2.2 编译本身也分为几个阶段：

1.预处理选项 gcc -E test.c -o test.i 预处理完成之后就停下来，预处理之后产生的结果都放在 test.i 文件中。

编译选项 gcc -S test.c 编译完成之后就停下来，结果保存在 test.s 中。
汇编 gcc -c test.c 汇编完成之后就停下来，结果保存在 test.o 中。

部分步骤分析：

（1）预处理：相当于根据预处理指令组装新的 C/C++ 程序。经过预处理，会产生一个没有头文件（都已经被展开了）、宏定义（都已经替换了），没有条件编译指令（该屏蔽的都屏蔽掉了），没有特殊符号的输出文件，这个文件的含义同原本的文件无异，只是内容上有所不同。

（2）编译：将预处理完的文件逐一进行一系列词法分析、语法分析、语义分析及优化后，产生相应的汇编代码文件。编译是针对单个文件编译的，只校验本文件的语法是否有问题，不负责寻找实体。

（3）链接：通过链接器将一个个目标文件（或许还会有库文件）链接在一起生成一个完整的可执行程序。链接程序的主要工作就是将有关的目标文件彼此相连接，也就是将在一个文件中引用的符号同该符号在另外一个文件中的定义连接起来，使得所有的这些目标文件成为一个能够被操作系统装入执行的统一整体。在此过程中会发现被调用的函数未被定义。需要注意的是，链接阶段只会链接调用了的函数/全局变量，如果存在一个不存在实体的声明（函数声明、全局变量的外部声明），但没有被调用，依然是可以正常编译执行的

2.3 运行环境

程序执行的过程：

程序必须载入内存中。在有操作系统的环境中：一般这个由操作系统完成。在独立的环境中，程序的载入必须由手工安排，也可能是通过可执行代码置入只读内存来完成。
程序的执行便开始。接着便调用 main 函数。
开始执行程序代码。这个时候程序将使用一个运行时堆栈（stack），存储函数的局部变量和返回地址。程序同时也可以使用静态（static）内存，存储于静态内存中的变量在程序的整个执行过程一直保留他们的值。
终止程序。正常终止 main 函数；也有可能是意外终止。

3、预处理详解

3.1 预定义符号

FILE //进行编译的源文件

LINE //文件当前的行号

DATE //文件被编译的日期

TIME //文件被编译的时间

STDC //如果编译器遵循 ANSI C，其值为 1，否则未定义

示例：

C 复制代码

int main() {
	printf("%s\n", __FILE__);
	printf("%d\n", __LINE__);
	printf("%s\n", __DATE__);
	printf("%s\n", __TIME__);

	return 0;
}

结果：

3.2 #define

3.2.1 #define 定义标识符

语法： #define name stuff

C 复制代码

#define MAX 1000        //将MAX定义为100
#define reg register          //为 register这个关键字，创建一个简短的名字
#define do_forever for(;;)     //用更形象的符号来替换一种实现
#define CASE break;case        //在写case语句的时候自动把 break写上。
// 如果定义的 stuff过长，可以分成几行写，除了最后一行外，每行的后面都加一个反斜杠(续行符)。
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \
                          date:%s\ttime:%s\n" ,\
__FILE__,__LINE__ ,       \
__DATE__,__TIME__ )

:不常用/tech_Temperature_96px:注意：在 define 定义标识符的时候，不要在最后加上 ;

示例：

C 复制代码

#define MAX 100;


int main() {
    printf("%d\n",MAX);

    return 0;
}

这样的话编译器会报错的

3.2.2 #define 定义宏

#define 机制包括了一个规定，允许把参数替换到文本中，这种实现通常称为宏（macro）或定义宏（define macro）。

下面是宏的申明方式：

#define name( parament-list ) stuff

其中的 parament-list 是一个由逗号隔开的符号表，它们可能出现在 stuff 中

示例：

C 复制代码

#define SUM(x,y) ((x)+(y))

int main() {
    printf("%d\n", SUM(1 + 2, 3 + 4));

    return 0;
}

结果：

注意： 

1.参数列表的左括号必须与 name 紧邻。如果两者之间有任何空白存在，参数列表就会被解释为 stuff 的一部分。

2.为了避免因为优先级等情况出现错误，最好在宏定义的表达式中加上括号

3.2.3 #define 替换规则

在使用#define 定义符号和宏时，需要涉及几个步骤

在调用宏时，首先对参数进行检查，看看是否包含任何由#define 定义的符号。如果是，它们首先被替换。
替换文本随后被插入到程序中原来文本的位置。对于宏，参数名被他们的值所替换。
最后，再次对结果文件进行扫描，看看它是否包含任何由#define 定义的符号。如果是，就重复上述处理过程。

注意： 

1.宏参数和#define 定义中可以出现其他 #define 定义的符号。但是对于宏，不能出现递归。

2. 当预处理器搜索#define 定义的符号的时候，字符串常量的内容并不被搜索。

3.2.4 #和##

使用 # ，可以把一个宏参数变成对应的字符串

问题：如何把参数插入到字符串中？

我们先来看一段代码：

C 复制代码

int main() {
    char* p = "hello ""world\n";
    printf("hello"" world\n");
    printf("%s", p);

    return 0;
}

代码结果：

通过这一个示例，我们发现字符串是有自动连接的特点的。

那我们是不是可以写这样的代码？

C 复制代码

#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
 printf("the value is "FORMAT"\n", VALUE);

int main() {
    PRINT("%d", 10);

    return 0;
}

结果：

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

这里只有当字符串作为宏参数的时候才可以把字符串放在字符串中。

另外一个技巧是：我们可以使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串。比如：

C 复制代码

int i = 10;
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
 printf("the value of " #VALUE " is "FORMAT "\n", VALUE);

int main() {
    PRINT("%d", i + 3);//产生了什么效果？

    return 0;
}

结果

代码中的 #VALUE 会预处理器处理为： "VALUE" .

‍

##的作用

##可以把位于它两边的符号合成一个符号；它允许宏定义从分离的文本片段创建标识符。

C 复制代码

#define ADD_TO_SUM(num, value) sum##num += value

int main() {
    int sum5 = 0;
    ADD_TO_SUM(5, 10);//作用是：给sum5增加10.

    return 0;
 }

注：这样的连接必须产生一个合法的标识符。否则其结果就是未定义的。

3.2.5 带副作用的宏参数

:game/game_angry_birds_black_bird_icon:当宏参数在宏的定义中出现超过一次的时候，如果参数带有副作用，那么你在使用这个宏的时候就可能出现危险，导致不可预测的后果。副作用就是表达式求值的时候出现的永久性效果。例如：

C 复制代码

#define MAX(a, b) ( (a) > (b) ? (a) : (b) )

int main() {
    int x, y, z;
    x = 5;
    y = 8;
    z = MAX(x++, y++);
    //a = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++) )
    printf("x=%d y=%d z=%d\n", x, y, z);//输出的结果是什么？

    return 0;
}

结果：

3.2.6 宏和函数对比

宏通常被应用于执行简单的运算。

宏的优点：

用于调用函数和从函数返回的代码可能比实际执行这个小型计算工作所需要的时间更多。所以宏比函数在程序的规模和速度方面更胜一筹
更为重要的是函数的参数必须声明为特定的类型。所以函数只能在类型合适的表达式上使用。反之宏则可以适用于整形、长整型、浮点型等类型。宏是类型无关的。

宏的缺点：

每次使用宏的时候，一份宏定义的代码将插入到程序中。除非宏比较短，否则可能大幅度增加程序的长度。
宏是没法调试的。
宏由于类型无关，也就不够严谨。
宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程容易出现错。

‍

|代码长度|每次使用时，宏代码都会被插入到程序中。除了非常小的宏之外，程序的长度会大幅度增长|函数代码只出现于一个地方；每次使用这个函数时，都调用那个地方的同一份代码|

|执行速度|更快|存在函数的调用和返回的额外开销，所以相对慢一些|

|操作符优先级|宏参数的求值是在所有周围表达式的上下文环境里，除非加上括号，否则邻近操作符的优先级可能会产生不可预料的后果，所以建议宏在书写的时候多些括号。|函数参数只在函数调用的时候求值一次，它的结果值传递给函数。表达式的求值结果更容易预测。|

|带有副作用的参数|参数可能被替换到宏体中的多个位置，所以带有副作用的参数求值可能会产生不可预料的结果。|函数参数只在传参的时候求值一次，结果更容易控制|

|参数类型|宏的参数与类型无关，只要对参数的操作是合法的，它就可以使用于任何参数类型|函数的参数是与类型有关的，如果参数的类型不同，就需要不同的函数，即使他们执行的任务是相同的。|

|调试|宏是不方便调试的|函数是可以逐语句调试的|

|递归|宏是不能递归的|函数是可以递归的|

3.2.7 命名约定

一般来讲函数的宏的使用语法很相似。所以语言本身没法帮我们区分二者。那我们平时的一个习惯是：

把宏名全部大写；函数名不要全部大写

3.3 #undef

这条指令用于移除一个宏定义。

示例：

C 复制代码

#define MAX 100
int main() {
	printf("%d\n",MAX);

	return 0;
}
#undef MAX

int main() {
	printf("%d\n",MAX);

	return 0;
}

在运行的过程中，第一个代码可以正常执行，但是第二个代码会报错

:game/game_angry_birds_green_bird_icon:注意：如果现存的一个名字需要被重新定义，那么它的旧名字首先要被移除。

3.4 命令行定义

:game/game_angry_birds_yellow_bird_icon:许多 C 的编译器提供了一种能力，允许在命令行中定义符号。用于启动编译过程。

例如：当我们根据同一个源文件要编译出一个程序的不同版本的时候，这个特性有点用处。（假定某个程序中声明了一个某个长度的数组，如果机器内存有限，我们需要一个很小的数组，但是另外一个机器内存大些，我们需要一个数组能够大些。）

示例：

C 复制代码

#define ARRAY_SIZE 100

int main()
{
    int array[ARRAY_SIZE];
    int i = 0;
    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
    {
        array[i] = i;
    }
    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
    {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

3.5 条件编译

:game/game_pokemon_pikachu:在编译一个程序的时候我们如果要将一条语句（一组语句）编译或者放弃是很方便的。因为我们有条件编译指令。

试用的代码删除了可惜，保留了又碍事。我们就可以使用条件编译来选择性地编译：

:code/code_linux_ubuntu:注：满足条件就编译，不满足条件就不编译

3.5.1 常见的条件编译指令：

常量表达式判断

#if 常量表达式

//...

#endif

示例：
C 复制代码
```
int main() {
#if 1
	printf("hello world\n");
#endif

	return 0;
}
```

多条件语句

示例：

C 复制代码

int main() {
	#if 1==1
		printf("heihei\n");
	#elif 2==2
		printf("haha\n");
	#elif 3==1
		printf("hehe\n");
	#else
		printf("hoho\n");
	#endif

	return 0;
}

判断是否被定义过

示例：

C 复制代码

#define M 

int main() {

#if defined(M) //被定义
	printf("yes");
#endif

#ifdef M //被定义
	printf("yes");
#endif

#if !defined(M) //未被定义
	printf("no");
#endif

#ifndef M //未被定义
	printf("no");
#endif

	return 0;
}

嵌套指令

C 复制代码

#if defined(OS_UNIX)
    #ifdef OPTION1
        unix_version_option1();
    #endif
    #ifdef OPTION2
        unix_version_option2();
    #endif
#elif defined(OS_MSDOS)
    #ifdef OPTION2
        msdos_version_option2();
    #endif
#endif

3.6 文件包含

3.6.1 头文件被包含的方式：

1.本地文件的包含（自己创建的.h 文件）

#include "filename.h"

:game/game_angry_birds_blue_bird_icon:查找策略：先在源文件所在目录下查找，如果该头文件未找到，编译器就像查找库函数头文件一样在标准位置查找头文件。

如果找不到就提示编译错误

2.包含库文件（第三方、标准库中的文件）

#include <filename.h>

:game/game_angry_birds_black_bird_icon:查找头文件直接去标准路径下去查找，如果找不到就提示编译错误。