C程序从编译器里都经历了什么？

程序的编译与运行

一个程序在运行时需要两个环境，一个是程序的翻译环境，一个是程序的执行环境，分别对应要经历的两个阶段：编译阶段、运行阶段。

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。

程序编译

程序的编译一共分为三个过程：

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。
   预处理时还要经过三个步骤：

• 头文件展开
  
• 宏替换，将宏定义的常量替换到代码中。
  
• 去注释，去除注释部分。
  
  
• 条件编译，根据代码所设置代码，只编译相应的部分。
  
  

2. 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。
   将C语言编译形成汇编语言。
   
3. 汇编 gcc -c test.c 汇编完成之后就停下来，结果保存在test.o中。

将汇编语言解释成电脑能够识别的二进制文件。

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到了此时，test.o文件依旧是不能直接运行的，需要由链接捆绑，才能实现一个单一可执行的程序。

程序运行

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。

什么是链接

链接是为了程序能够正常运行，告诉程序所需要函数的库的位置以及所需要调用数据的位置，以链接的形式告诉程序。

链接分为两种：一种是静态链接，一种是动态链接

动态链接
动态链接的作用是为了让程序和所使用的库产生关联，让程序在调用时直接跳转至关联的库中。

静态链接
静态链接是将程序所需的所有库全部复制一份，在程序使用时能够随时使用。

静态链接优势是速度快，不需要复杂的寻找。动态链接优势是不占用过多内存，不易出现内存崩溃。

链接Linux语句：gcc test.o -o mytest （gcc生成链接默认以动态链接生成）
gcc test.o -o mytest -static (生成静态链接可执行文件)
此时生成的mytest文件就可直接运行了。

多文件链接时要注意，应同时链接程序所需要的所有文件，例如：gcc main.o sum.o -o main（此时main才是可以执行的程序）

预处理详解

预定义符号

这些预定义符号都是语言内置的。

__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

宏

语法：

 #define name stuff

编译后，stuff将会替换name。

举个例子：

#define MAX 1000 //用MAX代替常用的常量
#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（do_forever代替实现for循环）
#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__ )//宏定义一个语句

#define是不推荐加“；”的，因为define是将第二部分所有语句替换到第一部分位置，加“；”容易在编程中多加分号造成语句错误。

宏的类函数用法

#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）。

申明方式：

#define name( parament-list ) stuff

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。

例如：

#define SQUARE( x ) x * x

SQUARE( 5 );

此时，当程序中使用SQUARE时，可以传入一个参数5，最终会被后面的x*x替换（即5 *5）.

这个宏存在一个问题：
假设一：

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.

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 );

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)

假设二：

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

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

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));

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 ) )

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用。

#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：

1. 宏参数和#define 定义中可以出现其他#define定义的变量。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。

#的作用

首先我们需要知道一个C语言的特性。

printf("hello"," bit\n");

对于这个语句是可以输出的，说明相邻的字符串是有自动连接的特点的。

#可以把一个宏参数变成对应的字符串
例如：

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

最终的输出的结果应该是：

the value of i+3 is 13

##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。

例如：

#define ADD_TO_SUM(num, value) 
 sum##num += value; 
... 
ADD_TO_SUM(5, 10);

作用是：将num替换为5，与sum共同链接为文本sum5，再给sum5增加10，替换至程序中。

带副作用的宏

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

案例：

#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);/

预处理器处理之后的结果是：

z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));

所以输出的结果是：

x=6 y=10 z=9

偏离了我们所期望的结果。

宏和函数的对比

宏和函数都可以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。反之这个宏可以适用于整形、长整型、浮点型等可以用于所有可以比较的类型。宏是类型无关的。

缺点是：

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，导致程序容易出现错。

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));

宏和函数的主要性能对比：

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不同的。
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

命名约定

一般来讲函数和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

#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。

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写，我们需要一个数组能够大写。）
例如：

#include 

#define M 20

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

如上，我们要是想要重复多次改变宏M的值，则要多次打开原文重编译，但C语言提供了命令行定义的功能，可以通过命令行直接定义宏。

gcc test.c -D M=10 

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。

例如：

#include 

int main()
{
#ifdef WORLD
  printf("hello world!\n");
#elif C
  printf("hello C\n");
#else
  printf("hello bit!\n");
#endif
  return 0;
 }

上述代码，条件判断均为是否宏定义某个常量，如果定义则运行接下来的代码。

这样我们可以结合前述的命令行定义，在不打开原程序文本的条件下对分段的程序编译运行或测试。

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

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。

头文件被包含的方式主要有两种：

1. 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。

2.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。
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 9.0\VC\include

对于库文件也可以使用 “” 的形式包含，当不需要在当前文件夹查找时，就用<>提高效率。

文件的嵌套包含

文件可以相互引用，这就会形成嵌套，当相互嵌套联系过多发生如下情况时：

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。

因此我们规定在头文件中加入条件编译，这样就可以避免文件的重复引用和替换了。

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

或者：

#pragma once