程序环境+预处理

1. 程序的翻译环境和执行环境

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。

2. 详解编译+链接

2.1 翻译环境（编译+链接）

翻译环境主要包括以下几个步骤：

1. 编写代码： 使用文本编辑器编写C语言代码，并保存为以“.c”为扩展名的文件。
2. 编译代码： 使用C编译器将源代码翻译成机器码。编译器将源代码转换为可执行文件（.exe文件），该文件包含可以在计算机上运行的可执行代码。
3. 链接代码： 如果我们的程序使用了其他库或共享对象文件中的函数或变量，则需要链接这些文件以将它们与我们的的程序组合在一起。链接器将我们的程序与所需的库和共享对象文件合并成一个可执行文件。

【解释】：

• 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。

2.2 编译的三个阶段：（预编译、编译、汇编）

1. 预编译（预处理）：

• 注释的替换（删除）注释被替换成一个空格
• 头文件的包含 #include <>
• #define 符号的替换（所有的预处理指令都在预处理阶段处理的）
• （.c）文件转换为（.i）文件

2. 编译：

• 把C语言代码编译成汇编代码
• 此时将（.i）文件转换为（.s）文件。
• 语法分析、词法分析、语义分析、符号汇总
• 汇总的符号都是全局的

3. 汇编：

• 把汇编代码翻译成二进制指令
• （.s）文件转换为（.o）文件（目标文件）
• 生成符号表

2.3 运行环境

程序执行的过程：

1. 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。
2. 程序的执行便开始。接着便调用main函数。
3. 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。
4. 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

这些预定义符号都是语言内置的。

举个栗子：

printf("file:%s\nline:%d\n", __FILE__, __LINE__);

3.2 #define

3.2.1 #define 定义标识符

语法：
 #define name stuff

举个栗子：

#define MAX 1000
#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__ )

【注意】：

• 在C语言中，使用#define指令定义标识符时，不需要在最后添加分号。这是因为#define宏定义本身并不是一个语句，它仅作为预处理指令，将指定的标识符替换为对应的文本。
• 例如，你可以使用#define PI 3.1415926来定义一个代表π的标识符。
• 此外，还需要注意的是，如果定义的标识符过长，可以分成多行书写，除了最后一行外，其余每行的末尾都可以加上一个反斜杠（续行符）。
• 不过，务必避免在宏定义的字符串中加入分号，因为分号会被编译器计算进去，可能导致预处理器错误地将分号视为宏参数的一部分。

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。

注意：

1. 参数列表的左括号必须与 name 紧邻。
2. 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。

如：

#define SQUARE( x ) x * x

这个宏接收一个参数 x .

如果在上述声明之后，你把 SQUARE( 5 ); 置于程序中，预处理器就会用下面这个表达式替换上面的表达式：5 * 5

警告：

这个宏存在一个问题：

观察下面的代码段：

int a = 5;
printf("%d\n" ,SQUARE( a + 1) );

乍一看，你可能觉得这段代码将打印 36 这个值。

事实上，它将打印 11 .

为什么？

替换文本时，参数x被替换成a + 1,所以这条语句实际上变成了：

printf ("%d\n",a + 1 * a + 1 );

这样就比较清晰了，由替换产生的表达式并没有按照预想的次序进行求值。

在宏定义上加上两个括号，这个问题便轻松的解决了：

#define SQUARE(x) (x) * (x)

这样预处理之后就产生了预期的效果：

printf ("%d\n",(a + 1) * (a + 1) );

这里还有一个宏定义：

#define DOUBLE(x) (x) + (x)

定义中我们使用了括号，想避免之前的问题，但是这个宏可能会出现新的错误。

int a = 5;
printf("%d\n" ,10 * DOUBLE(a));

这将打印什么值呢？

警告：

看上去，好像打印 100，但事实上打印的是 55 .

我们发现替换之后：

printf ("%d\n",10 * (5) + (5));

乘法运算先于宏定义的加法，所以出现了 55 .

这个问题，的解决办法是在宏定义表达式两边加上一对括号就可以了。

#define DOUBLE( x)   ( ( x ) + ( x ) )

提示：

所以用于对数值表达式进行求值的宏定义都应该用这种方式加上括号，避免在使用宏时由于参数中的操作符或邻近操作符之间不可预料的相互作。

3.2.3 #define 替换规则

在程序中扩展 #define 定义符号和宏时，需要涉及几个步骤。

1. 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。
2. 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。
3. 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：

4. 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。

5. 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##

1. # 的作用

一个小技巧是：

使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串。

比如：

int i = 10;
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
    printf("the value of " #VALUE "is "FORMAT "\n", VALUE);
...
PRINT("%d", i+3);//产生了什么效果？

代码中的 #VALUE 会预处理器处理为：

"VALUE" .

最终的输出的结果应该是：

the value of i+3 is 13

2. ## 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。

#define ADD_TO_SUM(num, value) \
    sum##num += value;
...
ADD_TO_SUM(5, 10); //作用是：给sum5增加10.

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

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：

x+1;//不带副作用
x++;//带有副作用

MAX宏可以证明具有副作用的参数所引起的问题。

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

这里我们得知道预处理器处理之后的结果是什么：

z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));
执行过程：5  >  8    x = 6,y = 9  所有执行y++，即 9++，z = 9
故：  x = 6，y = 10，z = 9

所以输出的结果是：

x=6 y=10 z=9

3.2.6 宏和函数对比

宏通常被应用于执行简单的运算。

比如在两个数中找出较大的一个。

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

那为什么不用函数来完成这个任务？

原因有二：

1. 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。
2. 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。反之这个宏则可以适用于整形、长整型、浮点型等可以用于>来比较的类型。
   宏是类型无关的。

宏的缺点： 当然和函数相比宏也有劣势的地方：

1. 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。
2. 宏是没法调试的。
3. 宏由于类型无关，也就不够严谨。
4. 宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程容易出现错。

宏有时候可以做函数做不到的事情。比如：宏的参数可以出现类型，但是函数做不到。

#define MALLOC(num, type)\
    (type *)malloc(num * sizeof(type))
...
//使用
MALLOC(10, int);//类型作为参数
//预处理器替换之后：
(int *)malloc(10 * sizeof(int));

宏和函数的一个对比：

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。

#undef NAME
//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

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不同的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。）

#include <stdio.h>
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;
}

编译指令：

//linux 环境演示
gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

3.5 条件编译

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。

比如说：

调试性的代码，删除可惜，保留又碍事，所以我们可以选择性的编译。

#include <stdio.h>
#define __DEBUG__
int main()
{
  int i = 0;
  int arr[10] = { 0 };
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    arr[i] = i;
        #ifdef __DEBUG__
    printf("%d\n", arr[i]);//为了观察数组是否赋值成功。 
        #endif //__DEBUG__
  }
  return 0;
}

常见的条件编译指令：

//1.
#if 常量表达式
    //...
#endif
//常量表达式由预处理器求值。
如：
#define __DEBUG__ 1
#if __DEBUG__
     //..
#endif
//2.多个分支的条件编译
#if 常量表达式
     //...
#elif 常量表达式
     //...
#else
     //...
#endif
//3.判断是否被定义
#if defined(symbol)
#ifdef symbol
#if !defined(symbol)
#ifndef symbol
//4.嵌套指令
#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

我们已经知道， #include 指令可以使另外一个文件被编译。就像它实际出现于 #include 指令的地方一样。

这种替换的方式很简单：

预处理器先删除这条指令，并用包含文件的内容替换。

这样一个源文件被包含 10 次，那就实际被编译 10 次。

3.6.1 头文件被包含的方式：

• 本地文件包含

#include "filename"

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。

Linux环境的标准头文件的路径：

/usr/include

VS环境的标准头文件的路径：

C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 12.0\VC\include
//这是VS2013的默认路径

注意按照自己的安装路径去找。

• 库文件包含

#include <filename.h>

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。

这样是不是可以说，对于库文件也可以使用 “” 的形式包含？

答案是肯定的，可以。

但是这样做查找的效率就低些，当然这样也不容易区分是库文件还是本地文件了。

3.6.2 嵌套文件包含

如果出现这样的场景：

comm.h和comm.c是公共模块。

test1.h和test1.c使用了公共模块。

test2.h和test2.c使用了公共模块。

test.h和test.c使用了test1模块和test2模块。

这样最终程序中就会出现两份comm.h的内容。这样就造成了文件内容的重复。

如何解决这个问题？

答案：条件编译。

每个头文件的开头写：

#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
//头文件的内容
#endif   //__TEST_H__

或者：

#pragma once

就可以避免头文件的重复引入。

【笔试题】：

1. 头文件中的 ifndef/define/endif是干什么用的?
2. #include <filename.h> 和 #include "filename.h"有什么区别?

1. 头文件中的ifndef/define/endif是用于条件编译的预处理指令。它们的作用是防止头文件被重复包含，以避免编译错误和代码冗余。具体来说：

• ifndef：如果没有定义标识符（通常是宏名），则执行后续的代码块。
• #define：定义一个标识符，通常是一个宏名。
• endif：结束条件编译块。

2. #include <filename.h>和#include "filename.h"的区别主要在于搜索路径和处理方式：

• #include <filename.h>：使用尖括号表示在标准库头文件目录中查找指定的头文件。编译器会在系统的预定义头文件目录中查找该文件，并将找到的文件插入到当前位置。如果找不到该文件，编译器会报错。
• #include "filename.h"：使用双引号表示在当前源文件所在的目录下查找指定的头文件。编译器首先在当前源文件所在的目录下查找该文件，如果找不到，再在系统的预定义头文件目录中查找。如果还是找不到，编译器会报错。

总结起来，#include <filename.h> 用于引入标准库头文件，而 #include "filename.h" 用于引入用户自定义的头文件。

4. 其他预处理指令

1. #error: 此预处理指令用于在编译时生成一个错误。当编译器遇到#error指令时，它会停止编译并输出指定的错误消息。这对于在编译阶段引入错误检查非常有用。例如：

#error "This is an error message"

当编译器遇到上述代码时，它将输出错误消息：“This is an error message”。

2. #pragma: 这是一个更通用的指令，它允许你向预处理器传递一个特定的指示。这些指示通常用于控制编译器的特定行为，尽管具体的指示可能因编译器而异。例如，#pragma once是一种常见的用法，它防止头文件被多次包含。
   
3. #line: 此预处理指令用于改变编译器的行计数器和文件名跟踪。这在预处理器生成的代码或宏中非常有用，以维护正确的行号和文件名跟踪。例如：
   

#line 10 "new_file.h"

这将使得编译器将接下来的代码行计入"new_file.h"中的第10行。

4. #pragma pack(): 这个指令用于改变编译器内存对齐的方式。这对于性能优化和跨平台兼容性非常重要。例如，你可以使用#pragma pack(1)来告诉编译器以1字节对齐所有的结构体和联合体 #pragma pack() 来取消设置的结构体默认对齐数。这可以减少内存的使用，但可能会降低性能。

希望这个简短的介绍对你有所帮助！如果你对任何内容有更多的问题，或者需要更多的详细信息，请随时提问！