第八章：C语言进阶之程序环境与预处理

C语言进阶

第一章：指针、数组与函数
第二章：回调函数
第三章：字符串函数与内存函数
第四章：结构体、枚举、联合
第五章：通讯录
第六章：动态内存管理
第七章：文件操作
第八章：程序环境与预处理

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前言

C语言程序在变成可执行程序前，需要经过许多步骤。

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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

(1) 翻译环境

• 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。

(2) 编译本身也分为几个阶段

1. 预处理

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。

预处理是文本操作

1. 头文件包含：#include
2. 去掉注释
3. 符号的替换：#define

2. 编译

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。

把C语言代码专换成汇编代码

1. 语法分析
2. 词法分析
3. 语义分析
4. 符号汇总

3. 汇编

汇编 gcc -c test.c 
汇编完成之后就停下来，结果保存在test.o中。

把汇编指令转换成二进制指令

1. 形成符号表

4. 链接

链接 gcc test.o add.o -o test
链接完成之后就停下来，结果保存在test中

1. 合并段表
2. 符号表的合并和重定位

(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。
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。

(4) IDE

vs2022：集成开发环境
功能：编辑+编译+链接+调试
组件：编辑器+编译器(cl.exe)+链接器(link.exe)+调试器

三、预处理详解

(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. #define 定义标识符

#define name  stuff

建议不要加上;，这样容易导致问题。

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）

#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。

#define SQUARE( x )  x * x
SQUARE( 5 );
5 * 5

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 );

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

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. #define 潜规则

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，参数名被他们的值所替换。
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。

4. #和##

使用#，把一个宏参数变成对应的字符串

##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。

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。
例如：

x+1;//不带副作用
x++;//带有副作用

MAX宏可以证明具有副作用的参数所引起的问题。

#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

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？
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。

宏的缺点：当然和函数相比宏也有劣势的地方：

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

属性	#define定义宏	#define定义宏
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

7. 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

(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。

(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写，我们需要一个数组能够大写。）

#include 
int main()
{
    int array [ARRAY_SIZE];
    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;
}

//linux 环境演示
gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

(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

(6) 文件包含

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。

2. 嵌套文件包含

为了避免头文件重复包含：

每个头文件的开头写：

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

或者

#pragma once

就可以避免头文件的重复引入。

四、其他预处理命令

#error
#pragma
#line
...

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总结

深入理解C程序环境和预处理。