C语言—程序环境和预处理
目录
一、程序的翻译环境和执行环境
二、详解编译+链接
2.1、翻译环境
2.2、编译本身也分为几个阶段
2.2.1、预处理
2.2.2、编译
2.2.3、汇编
2.3、运行环境
三、预处理详解
3.1、预定义符号
3.2、#define
3.2.1、#define 定义标识符
3.2.2、#define 定义宏
3.2.3、#define替换规则
3.2.4、#和##
3.2.5、带副作用的宏参数
3.2.6、宏和函数的对比
3.3、#undef
3.4、命令行定义
3.5、条件编译
3.6、文件包含
3.6.1、头文件被包含的方式
3.6.2、嵌套文件包含
四、其他预处理指令
一、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。
二、详解编译+链接
2.1、翻译环境
翻译环境分为两部分：
1、编译，依赖于编译器（cl.exe）
2、链接，依赖于链接器（link.exe）
2.2、编译本身也分为几个阶段
1、预编译（预处理）
2、编译
3、汇编
在Linux环境下，详解：
2.2.1、预处理
1、生成一个test.c文件，写入代码
2、如果直接 gcc test.c，将默认生成一个可执行文件
这样运行，无法观察到编译细节
如何解决呢？
gcc test.c -E（预处理之后停止）
gcc test.c -E > test.i (预处理后，将生成文件重定向到test.i中)
3、打开test.i文件，查看预处理生成的文件
观察代码，可以看出预处理做了什么事
总结：
预处理阶段完成的任务：
1、头文件的包含（#include）
2、#define定义的宏和函数被替换
3、注释删除
这些统称为，文本操作
2.2.2、编译
gcc test.i -S（生成test.s）
编译阶段完成的任务：
把C语言代码转换成汇编代码
1、语法分析
2、词法分析
3、语义分析
4、符号汇总
2.2.3、汇编
gcc test.s -c（生成目标文件test.o）
汇编阶段完成的任务：
把汇编代码转换成了机器指令（二进制指令）
1、生成符号表
2、test.o文件是elf格式，二进制，我们看不懂，但readelf工具可以看懂
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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。
⒉、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的堆栈（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。
注：介绍一本书《程序员的自我修养》
三、预处理详解
3.1、预定义符号
__FILE__ //进行编译的源文件
__LTNE__ //文件的当前行号
__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：
printf（"file:%s line:%d\n",__FILE__,__LINE__）;
3.2、#define
3.2.1、#define 定义标识符
语法：#define name stuff
举个例子：
#define MAX 100
#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写上提问：
在define定义标识符的时候，要不要在后面加上；？
比如：
#define MAX 1000；
#define MAX 1000
建议不要加！这样容易导致问题。
比如下面这个场景：
if(a)
max = MAX;
else
max =0;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。
注意：
1、参数列表的左括号必须和name紧邻
2、如果两者之间有任何空白，参数列表就会被解释称stuff的一部分
如：
#define SQUARE(x) x*x这个宏接受一个参数x 如果在声明之后，你把SQUARE（5）；置于程序，预处理器就会用下面的这个表达是换成上面的表达式5*5
如果是QUARE（3+1）；呢？=16？
不是的，答案是7！
这便是宏参数的完全替换（替换后，再计算）
改:
#define SQUARE(x) (x)*(x);这样，预处理后，就可以产生预期的效果
结论：
#define在定义宏时，（）很重要，不要吝啬！
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##
如何把参数插入到字符串中？
首先我们看看这样的代码：
char* p = "hello ""world"\n;
printf("hello","world\n");
printf("%s",p);这里输出的是不是
hello world？
答案是肯定的：是！
我们发现字符串时有自动连接的特点的
1、那我们是不是可以这样写代码？
#define PRINT(FORMAT,VALUE)\
printf("the value is "FORMAT"\n",VALUE);
int main() {
PRINT("%d", 10);
return 0;
}这里只有当字符作为宏参数的时候，才可以把字符串放在字符串中。
2、另一个技巧是：
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);
int main() {
int i = 10;
PRINT("%d",i+3);
}代码中的#VALUE会被预处理器处理为：
“VALUE”
最终的输出结果是：
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(num,value) \
sum##num +=value;
int main() {
int sum5 = 0;
ADD_TO_SUM(5,10);
}作用：给sum5这个变量，增加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
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的幞，如果参数带副作用，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:
MAX宏可以证明具有副作用的参数所引发的问题
下面这段代码，我们想的是，结果为5或者8，但结果为9，这就是副作用
所以，我们在宏定义的时候要避免写这样的代码
3.2.6、宏和函数的对比
宏通常被用来执行简单的运算，比如这两个数中，找出较大的
#define MAX(a,b) ((a)>(b)?)(a):(b)那为什么不用函数来完成这个任务呢？
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。
⒉、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。
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.宏由于与类型无关，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。
总结：
运算逻辑简单，用宏
运算逻辑相对复杂，用函数
命名约定
一般来说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：
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，那么他的旧名字首先要移除
3.4、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些，我们需要一个数组能够大些。)
在Linux环境下演示：
1、写一份代码
2、编译
提示错误：M未定义
3、命令行定义
编译指令：
gcc test.c -D M=10
3.5、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。因为我们有编译指令
比如：
调试性的代码，删除可惜，保存又碍事，所以我们可以选择性编译
常见的条件编译指令：
1、if单分支
#if 常量表达式
//......
#endif
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（有两种形式）
1、
#ifdef symbol
//......
#endif
#ifndef symbol
//......
#endif
或者
2、
#if defined(symbol)
//......
#endif
#if ! defined(symbol)
//......
#endif
二者代码，虽形式不同，但意思一致！
4.嵌套指令
#if defined(os_UNIX)
#ifdef OPTION1
unix_version_option1();
#endif
#ifdef OPTION2
unix_version_option2();
#endif
#e1if defined(os_MSDOS)
#ifdef OPTION2
msdos_version_option2();
#endif
#endif
实例：
1、单分支
2、多分支
其余形式，大同小异，感兴趣的读者可自行尝试~
3.6、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#incl1ude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。
3.6.1、头文件被包含的方式
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。
Linux环境的标准头文件的路径：
/usr/include
vs环境下的标准头文件的路径：
vs2019:
D:\Windows Kits\10\Include\10.0.22000.0\ucrt
注意按照自己的安装路径去查找
查找方式：
1、在编译器随便写一个包含在库文件的东西（如EOF）
2、右击鼠标，转到定义
3、鼠标右键，打开所在的文件夹
4、查看路径
2、库文件包含
#include
如
#include
查找策略：查找头文件直接去标准路径下去查我、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。
总结：
3.6.2、嵌套文件包含
如果出现这样的场景：
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或者：
#pragma once就可以避免头文件的重复引入
注：
推荐《高质量C/C++编程指南》中附录的考试试卷（很重要)。
笔试题:
1、头文件中的ifndef/define/endif是干什么用的?
答：防止头文件被多次包含
2、#include
答：<>，库文件；“”，自定义头文件，区别：查找策略不同
四、其他预处理指令
#error
#pragma
#line
......
不做介绍，感兴趣的读者，自行了解
参考《C语言深度解剖》学习
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