[C/C++]C语言的程序环境和预处理

本文主要讲述C语言的程序环境和预处理。

一、程序的翻译环境和执行环境

      存在源代码转换为可执行的机器指令的翻译环境和实际执行代码的执行环境，两个不同的环境。

      1.翻译环境

       每个源文件通过编译过程分别转换成目标代码，每个目标文件由链接器捆绑在一起形成可执行程序。过程图解如图：

                

        编译本身也分为下面几个阶段：

        VIM编译期间的每一步：

             （1） 预处理 选项gcc -E test.c -o test.i 之后产生的结果都放在test.i文件中。

             （2） 编译 选项 gcc -S test.c 之后结果保存在test.s中。

             （3） 汇编 gcc -c test.c 汇编之后结果保存在test.o中。

      2.运行环境

         程序执行的过程：

          （1）程序必须载入内存中。

          （2） 程序的执行便开始。开始调用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，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函数或意外终止。

二、预处理

      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。

      2.#define

      （1）定义标识符

#define name stuff

      （2）定义宏

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

        声明方式：#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。参数列表的左括号必须与name紧邻。

        #define的本质是文本替换，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用。

        在程序中扩展#define定义符号和宏时，需要涉及几个步骤。

        a. 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。

        b. 替换文本随后被插入到程序中原来文本的位置。对于宏，参数名被他们的值替换。

        c. 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。

      3.#和##

        # 可以把一个宏参数变成对应的字符串。

int i = 10;
#define PRINT(FORMAT, VALUE) printf("the value of " #VALUE "is "FORMAT "\n", VALUE);
...
PRINT("%d", i+3);

        #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

      ##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);

      但是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。

      4.宏和函数对比

         宏通常被应用于执行简单的运算。如：

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

       在两个数中找出较大的一个。这时宏优于函数的原因是：宏比函数在程序的规模和速度方面更加好。而且函数的参数必须声明为特定的类型，宏是类型无关的。

      宏相比函数的劣势：每次使用宏的时候，会将宏定义的代码插入到程序。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。

宏和函数的对比

属性	#define定义宏	函数
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不同的。
调试	不方便调试	可以逐语句调试的
递归	不能递归	可以递归

      4.命名约定：一个习惯是把宏名全部大写，函数名不要全部大写。

      5.#undef：用于移除一个宏定义。#undef NAME。

三、条件编译

      条件编译指令可以在编译一个程序的时候将一条语句编译或者放弃。

     1.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

     2.文件包含

        #include 指令可以使另外一个文件被编译。替换的方式： 预处理器先删除这条指令，并用包含文件的内容替换。  

        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。

        库文件包含：#include ，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

        库文件也可以使用“” 的形式，但效率就低。

        嵌套文件包含：

         

      这样就会造成文件内容的重复。所以我们可以通过条件编译解决问题，如：

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

或

#pragma once

     就可以避免头文件的重复引入。

    #pragma pack()是设置默认对齐数的指令，在前面的文章也有提及，这里就不再赘述。

另外还有如

#error
#pragma
#line
...

等，这里就不一一做介绍了。

这篇文章到此也就结束了，感谢大家的阅读。