【C语言】程序环境和预处理

程序环境和预处理

本章重点

• 程序的编译环境
• 程序的执行环境
• 详解：C语言程序的编译加链接
• 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

程序的编译环境和执行环境

在ANSIC的任何一种实现中，存在两种不同的环境：

第一种是翻译环境，在这个环境中源代码被转换为可执行的机器指令

第二种是执行环境，它用于实际执行代码

详解编译+链接

• 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，而且他可以搜索程序猿个人的程序库，将其需要的函数也链接到程序中

编译本身也分为几个阶段

如何查看编译期间每一步都发生了什么呢？

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

运行环境

程序执行过程：

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。接着调用main函数。
3. 开始执行程序代码。这个时候的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。程序同时也是用静态内存（static），存储静态内存中的变量在程序的整个执行过程中一直保留他们的值
4. 终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止

预处理详解

预定义符号

#include 

int main() {
	printf("%s\n", __FILE__);// 进行编译的源文件
	printf("%d\n", __LINE__);// 文件当前的行号
	printf("%s\n", __DATE__);// 文件被编译的日期
	printf("%s\n", __TIME__);// 文件被编译的时间
	printf("%s\n", __STDC__);// 如果编译器遵循ANSIC，其值为1， 否则未定义
}

#define

#define定义标识符

#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__ )

在define定义的时候，要不要在最后加上;？

不要加，这样会导致语法错误

#define定义宏

#define 机制包括了一个规定，允许把参数替换到文本当中，这种实现称为宏或定义宏

下面是宏的申明方式：

#define name(parament-list) stuff

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

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的空白存在，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

SQARE(5);

置于程序中，预处理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：

int a = 5;
printf("%d ", SQARE(a + 1));

突然看到，我们可能会觉得这个程序打印36，事实上打印的却是11，这是为什么？

替换时，参数X被替换成了a+1,所以这条语句实际上变成了：

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

这样就可以清晰地看到了，由替换产生地表达式并没有按照预想的次序进行求值。在宏定义地时候加上两个括号，这个问题就轻松地解决了：

#define SQUARE(X) (X) * (X);

这样预处理之后就产生了预期地效果：

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

提示：

所以用于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. 在调用宏的时候，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，再次对结果进行扫描，看看是否包含由#define定义的符号。如果是，就重复上述过程。

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。

#和##

如何把参数插入到字符串中？

首先我们看看这个代码：

char* p = "hello ""bit\n";
printf("hello "" bit\n");
printf("%S", p);

这里的输出是：

hello bit?

我们发现字符串是有自动连接功能的。

1. 那我们是不是可以写出这样的代码？

#define PRINT(FORMAT, VALUE)
	printf("the value is "FORMAT"\n", VALUE);
PRINT("%d", 10);

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创当中。

2. 另一个技巧就是：

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);

最终的结果应该是：

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

#define ADD_TO_SUM(name, value);
	sum##num += value;
...
ADD_TO_SUM(5,10);//作用是给sum5增加到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。

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，导致不可预测的结果。副作用就是表达式求值的时候出现的永久性的效果

例如：

x+1;//不带副作用
x++;//带有副作用

样例：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include 

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

int main() {
	int x = 5;
	int y = 8;
	int z = MAX(x++, y++);
	printf("x = %d, y = %d, z = %d\n", x, y, z);//输出结果是什么?
	return 0;
}

在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++));

所以输出的结果是：

宏和函数的对比

宏通常被应用于执行简单的计算。

比如在两个数中找出较大的一个，为什么不用函数来实现那？

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、浮点型等可以用于来比较的类型宏与类型无关的

宏的缺点：

1. 每次使用宏的时候，一份宏定义地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. 宏时没法调试的
3. 宏由于类型无关，也不够严谨。
4. 宏可能带来运算符优先级的问题，导致程序容易出错。

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

#include 
#include 

#define MALLOC(num, type) (type*)malloc(num*sizeof(type)) 

int main() {
	int* p = MALLOC(10, int);
	return 0;
}

宏和函数的一个对比

属性	#define定义宏	函数
代码长度	每次使用的时候，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加一些括号	函数的参数只在调用的时候求值一次，它的结果值传递给函数。表达式的求值更容易预测
带有副作用的参数	参数可以被替换到宏体的多个位置，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，它就可以适用于任何参数类型	函数的参数是与类型有关的，如果参数类型不同，就需要不同的函数，即使它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

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

#undef

这条指令用于移除一个宏定义。

命令行定义

许多C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的版本的时候，这个特性有点用处。（假设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，但是另一个机器内存大些，我们需要一个数组能够大些。）

#include 
int main()
{
    int array[ARRAY_SIZE];//这个地方并没有指定ARRAY_SIZE的大小	
    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：

gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

条件编译

在编译一个程序的时候我们如果将一条语句（一组语句）编译或者放弃是很方便的。因为我们由条件编译指令

#include 

#define __DEBUG__

int main() {
	int i = 0;
	int arr[10] = { 0 };
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		arr[i] = i;
#ifdef __DEBUG__
		printf("%d ", arr[i]);
#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

2. 过个分支的条件编译

#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

4. 嵌套指令

文件包含

我们已经知道，#include指令可以使另一个文件被编译。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。这样一个源文件包含10次，那就实际编译了10次

头文件被包含的方式

• 本地文件包含

#include "filename";

查找策略：现在源文件所在的目录下查找，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。

嵌套文件包含

这样就会造成文件内容的重复。

如何解决这个问题？

#pragma once

就可以避免头文件的重复引入。

笔试题：

其他预处理指令

#error

#pragma