本章重点：

• 程序的翻译环境
• 程序的执行环境
• 详解：C语言程序的编译+链接
• 预定义符号介绍
• 预处理指令 #define
• 宏和函数的对比
• 预处理操作符#和##的介绍
• 命令定义
• 预处理指令 #include
• 预处理指令 #undef
• 条件编译

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经过编译和链接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。

为什么有这两种环境呢？

       因为我们所书写的代码都是文本信息，计算机只能识别二进制，计算机不能直接理解文本信息，就需要将文本信息转为二级制指令，然后再去执行这些指令。

• 翻译环境：文本信息 - 二级制指令（存放在可执行程序里面）
• 执行环境：执行可执行程序

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。

2.2 编译本身也分为几个阶段：预编译（预处理）+ 编译 + 汇编

注：由于vs已经将编译和链接集成开发环境，不方便看到这些过程，咱们在gcc编译器测试。

1. 预处理（Preprocessing）：预处理器（Preprocessor）根据程序中包含的预编译指令，如#include等，将源代码中的宏定义、注释、条件编译等转换为实际的C代码。预处理的输出结果通常是一个扩展名为.i的文件。

2. 编译（Compilation）：编译器（Compiler）将扩展名为.i的预处理后的文件编译成汇编语言（Assembly Language）代码，这个汇编代码是计算机可以理解的中间语言。编译的输出结果通常是一个扩展名为.s的汇编语言代码文件。

3. 汇编（Assembly）：汇编器（Assembler）将扩展名为.s的汇编语言代码文件转换成计算机可执行的机器码（Machine Code）。汇编的输出结果通常是一个扩展名为.o的目标文件。

4. 链接（Linking）：链接器（Linker）将程序中使用到的各个目标文件和库文件（Library）链接成一个完整的可执行文件（Executable File）。器链接的输出结果通常是扩展名为.exe的可执行文件。

• 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。  
• 链接 gcc test.o -o test 链接之后就停下来，结果保存在test.o中。
• test.ot和test.exe都是按照 ELF 这种文件的格式来存储的，可通过Linux下的readelf阅读该文件，例如：readelf  test.o -a(显示所有)

符号表：全局变量和函数会形成，局部变量不会形成

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

举个栗子：

#include<stdio.h>
int main()
{
  printf("%s\n", __FILE__);
  printf("%d\n", __LINE__);
  printf("%s\n", __DATE__);
  printf("%s\n", __TIME__);
  //printf("%s\n", __STDC__); vs不支持ANSI C
  return 0;
}

运行结果：

3.2 #define

3.2.1 #define 定义标识符

语法： #define name stuff

#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),后面不能有空格。
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \
                          date:%s\ttime:%s\n" ,\
                            __FILE__,__LINE__ ,\
                            __DATE__,__TIME__ ) 
int main()
{
    int d = 1;
    switch (d)
    {
    case 1:
    CASE 2 :
    CASE 3 :
    CASE 4 :
    CASE 5 :
            ;//最后一个case语句的分号
        //最后一个case语句可以不用写break
    }
    return 0;
}

在define定义标识符的时候，要不要在最后加上 ; ?

#define MAX 1000;
#define MAX 1000

建议不要加上 ; ,这样容易导致问题。

if(condition)
    max = MAX;
else
    max = 0;

由于宏定义是直接替换的，所以代码会变成下面情况，会出现语法错误。

if(condition)
    max = 100;
    ;
else
    max = 0;

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）。
• 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： 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。

#include<stdio.h>
#define SQUARE(x) x * x     //参数列表的左括号必须与SQUARE紧邻
int main()
{
  printf("%d\n",SQUARE(5));//替换为SQUARE(5) 5 * 5 - 直接替换
    //printf("%d\n", 5 * 5);
  return 0;
}

运行结果：

我们再测试一个：

#include<stdio.h>
#define SQUARE(x) x * x     //参数列表的左括号必须与SQUARE紧邻
int main()
{
  int a = 5;
  printf("%d\n", SQUARE(a + 1));
  return 0;
}

运行结果：

• 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：

【程序环境与预处理玩转指南】(中)：https://developer.aliyun.com/article/1424849