【C语言】-程序编译的环境和预处理详解-让你轻松理解程序是怎么运行的！！

作者：小树苗渴望变成参天大树
作者宣言：认真写好每一篇博客
作者gitee:gitee

如 果 你 喜 欢 作 者 的 文 章 ，就 给 作 者 点 点 关 注 吧！

前言

亲爱的友友们，好久不见，今天我又来更新好的文章了，今天我们讲程序的编译环境，相信大家已经对敲代码已经不在感到胆怯了，但是我们所写的代码是怎么变成我们想要的结果的，今天我就带大家来解决这个问题，这方面的问题读者知道能把我今天所讲的给弄明白就好了，不用过分深究

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

一、 程序的翻译环境和执行环境

在ANSI(标准) 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（二进制指令）。
第2种是执行环境，它用于实际执行代码

这就是我们平时写的代码，我们需要通过编译加链接的方式才能将源文件变成可执行程序

而我们经常使用的vs2019是一个集成开发环境，包括了翻译环境和执行环境，所以我们运行之后可以直接看到我们想要的结果，所以今天我为了给读者们更好的讲解这个，我们使用vscode这个工具，我用Windows配置了一个gcc编译器，这是通过敲命令行的方式来执行代码的，看一看到每一步的过程

那我们就接着看下去吧

二、 详解翻译环境

2.1编译环境

1.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）。
2.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。
3.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

我们看到上面那一幅图，可以知道我们通过vs2019中编译器就可以实现从源文件到目标文件的过程，我们就需要使用gcc编译器来一步步看怎么从源文件到目标文件的

我们把编译环境分为三个过程：
1.预编译（预处理）
2.编译
3.汇编

2.1.1预编译

#include 
#define count 10//定义一个宏
int main()
{
 int i = 0;
 for(i=0; i<count; i++)//一个循环
 {
 printf("%d ", i);
 }
 return 0;
}

我们来看一段这个代码，我们来看预编译后是怎么样的，使用：gcc -E test.c -o test.i（把.c文件预编译成.i文件，这个test.i文件名不是固定的，使用者自己可以修改）

test.i

我们发现代码变成了八百多行，我们写的代码是在最下面，那么上面八百多行代码是什么呢？实际是头文件的包含，我们也发现我们之前的注释也不见了，定义的宏也变成了具体的值所以我们得出结论：

1.头文件的包含
2.删除注释
3.#define的替换等

2.1.2编译

我们使用的命令行是：gcc -S test.c（这里不需要写-o，因为默认生成.s的文件）

test.s

变成汇编代码，对于没有学习汇编语言的人来说是看不懂的，但学过，仔细分析一下就可以知道想要表达的内容

在编译阶段变成我们不熟悉的汇编代码
还有语法分析，词法分析，语义分析，符号汇总（比如main,一些函数的地址，一些全局变量等）
符号汇总是为了后面形成符号表的

2.1.3汇编

我们使用的命令行是： gcc -c test.c（这里不需要写-o，在gcc编译器中目标文件默认为.o文件）

test.o

我们发现这个已经是.o文件，变成二进制文件，所以目前在vscode上已经打不开了，我们用文本打开看看

都是我们看不懂的东西,把汇编代码变成二进制指令，形成符号表，这里我们不能很直观的看到形成后的样子，我通过画图让大家简单了解一下

这里我们就可以看到对应关系，如果大家看不懂没有关系，我们只需要理解就可以了

我们可以通过在线的vim机自己去看看怎么回事：

VIM学习资料
简明VIM练级攻略：
link
给程序员的VIM速查卡
link

这张图包括的链接：

2.2执行环境

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。

三、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。
举个例子：

3.2 #define

3.2.1 #define 定义标识符

语法： #define name stuff

举个例子：
#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_ )

这个定义标识符的使用方法是直接把数值带入，不是先计算在带入，举个例子：我们之前说过，#define是在预处理阶段就完成的，我们在vscode给大家演示

#include 
#define count 10//定义一个宏
int main()
{
 int a[count]={0};
 return 0;
}

2.我们可以看到直接把数值带入，我们在来看一个例子：

int main()
{
	int n = 0;
	switch(n)
	{ 
	case 1:
		break;
	case 2:
		break;
	}
	return 0;
}

我们知道，写switch语句要主要写break;但是有的时候我们会忘记，所以我们使用#define

#define CASE break;case

int main()
{	
    int n = 0;
    switch (n)
	{
	case 1:
	CASE 2:
	CASE 3:
	CASE 4:
	}
	return 0;
}

我们要注意第一个case要自己写

提问：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。
比如下面的场景：

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

我们来看：

这里会出现语法错误。

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：
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

如：
1.

#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

我们来看：

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) );

按照我们想要的结果应该是36，但答案却是11，原因就是宏定义是先带入在计算的，为了避免这个错误：我们应该加上括号：
2.

#define SQUARE( x ) （x） * （x）

这样预处理之后就产生了预期的效果：
int a=(5 + 1) * (5 + 1) );

3.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));

我们想要的结果应该是100，但结果却是55，所以我们应该这样修改;

#define DOUBLE( x)   ( ( x ) + ( x ) )
//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。

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用。

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。

3.2.4 #和##

#的作用

如何把参数插入到字符串中？

首先我们看看这样的代码：

int main()
{
	int a = 10;
	printf("the value of a is %d\n", a);
	int b = 20;
	printf("the value of b is %d\n", b);

我们发现这么写好麻烦，而且布置到下次求的是什么参数的价值，我们对printf里面的变量就不能写的这么死，我们应该把参数插入字符串里面来解决这个问题：

我们来看一段代码：

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

我们发现字符串是有自动连接的特点的。
我们利用这一个特点来试试:

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

我们看到结果和我们想要的还是有点差距的：

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串中,只有“%d”是字符串，才放到原来的字符串里面的，如果我们也想把a,b也放进去我们应该怎么做呢？？

另外一个技巧是：
使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串。
比如：

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

这样就达到我们想要i的结果，通过#把不是字符串的宏参数加到了字符串中了

##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.

把sum和5连在一起变成了sum5

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。

x+1;//不带副作用
x++;//带有副作用

#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++));

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？
两个原因：
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。反之这个宏怎可以适用于整形、长整型、浮点型等可以用于>来比较的类型。宏是类型无关的。

我们通过反汇编可以看到宏比我们函数所使用的时间要短，并且对于宏你可以传任意参数类型进去，而函数只能传定义的参数

当然和宏相比函数也有劣势的地方：

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

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：

1.把宏名全部大写
2.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。

我们看这样是可以的

这样就不行了，因为我们已经取消的对宏的定义

3.4 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。

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 
#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

这里我就不在给大家演示了，我们现在用的还不多·，在我们看到源码的时候就会发现用的特别多

3.5 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。

3.5.1 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。

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。
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。

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

3.5.2 嵌套文件包含

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

#pragma once

就可以避免头文件的重复引入。

因为以后在上班的时候，项目是由许多人一起开发出来的，难免会出现头文件重复引用，所以我们要使用田间编译防止头文件被重复引用

四、总结

相信大家看到这里对程序是怎么运行的应该已经有了初步的了解，说到这里对于C语言知识的分享可能就要告一段落了，接下来我会将继续分享数据结构相关的知识了，到时候欢迎大佬们来支持，那我们今天就先到这吧