程序环境和预处理详解

前言

我们一起学了那么久C语言，有没有想过程序在什么样的环境下执行的，执行之前程序又经历了哪些操作？接下来让我们一起进入本章程序环境和预处理的学习吧！

1.程序的翻译环境和执行环境

在ANSI C(标准C)的任何一种实现中，存在两个不同的环境

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（二进制指令）。
第二种是执行环境，它用于实际执行代码。

2.详解编译+链接

2.1 翻译环境

①组成一个程序的每一个源文件通过编译过程转换成目标文件（object code）。
②每个目标文件由链接器（linker）捆绑在一起，形成单一而完整的可执行程序。
③链接器同时也会引入标准C函数库任何被该函数用到的函数，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函数中。

2.2 翻译本身也分为几个阶段：

add.c的代码：

int g_val = 0;
int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

test.c的代码：

#include
extern int Add(int x, int y);
extern int g_val;
//外部声明符号
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int g_val = Add(a, b);
	printf("%d\n",g_val);
	return 0;
}

预处理阶段：

在vscode编辑器上进行的操作：gcc -E test.c -o test.i，·-E 是进行预处理操作，-o指定输出到test.i文件（不会自动生成，需要指定输出），该阶段进行的操作为：1.#include头文件的包含；2.#define定义的符号的替换和删除操作；3.注释的删除（1、2为预编译指令操作；3为文本操作）。

编译阶段：

在vscode编辑器上进行的操作：gcc -S test.i (进行编译操作，执行后自动生成test.s文件，也可以进行指定)，该阶段进行的操作为：把C语言代码翻译成汇编代码、进行语义分析、词法分析、语义分析、符号汇总（如上面代码中的全局变量g_val、函数main\Add的符号汇总）。

汇编阶段：

在vscode编辑器上进行的操作：gcc -c test.c(进行汇编操作后，会自动生成test.o文件，也可以进行指定)；该阶段进行的操作为：把汇编代码翻译成了二进制指令（存放在目标文件中）、形成符号表。

链接阶段：

1.合成段表
2.符号表的合并和符号表的重定位

图形理解：

解释： test.c文件、add.c文件分别经过在编辑器形成目标文件，经过编译、汇编、链接操作后合成的符号表，供各目标文件查找使用；各目标文件和链接库一起经过链接器后，生成我们的可执行程序。

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。
2.程序的执行开始，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。

3.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
__FUNCTION__//打印当前执行的函数的函数名

eg:

#include
int main()
{
	printf("%s\n", __FILE__);
	printf("%d\n", __LINE__);
	printf("%s\n", __DATE__);
	printf("%s\n", __TIME__);
	//printf("%d\n", __STDC__);
	printf("%s\n", __FUNCTION__);
	return 0;
}

代码运行的结果：

3.2 #define

3.2.1 #define定义标识符

//语法
#define name stuff
//name为标识符，stuff为需要被替代的语句

栗子：

#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(;;)//更形象的符号来替换一种实现
#define CASE break;case//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（续行符前）
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \
							date:%s\ttime:%s\n", \
							__FILE__,__LINE__, \
							__DATE__,__TIME__ )

提问： 在define定义的时候，要不要在最后面加上;？
比如：

#define MAX 1000;
#define MAX 1000

建议不要加上 ;这样容易导致问题。
栗子：

#define MAX 1000;
#include
int main()
{
	int m = 0;
	if (m > 0)
		m = MAX;
	else
		m = 0;
	return 0;
}
//经过预处理后，MAX会整体进行替换
#include
int main()
{
	int m = 0;
	if (m > 0)
		m = 1000;;
	else
		m = 0;
	return 0;
}

代码运行的结果：

3.2.2 #define定义宏

#define机制规定：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）。

宏的定义方式：

#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，如果两者之间存在任何空白，参数列表就会被解释为stuff的一部分。

宏定义的例子：

#define SQUARE(x) x*x
#include
int main()
{
	printf("%d\n", SQUARE(5));//希望得到25
	return 0;
}

代码运行的结果为：

由于宏是在预处理的时候直接替换上面的表达式的，会出现以下问题
eg:

#define SQUARE(x) x*x
#include
int main()
{
	printf("%d\n", SQUARE(5+1));//希望得到36
	return 0;
}

代码运行的结果为：

看上面的代码我们期望得到36，事实上得到是11，这是为什么呢？

//替换文本时，参数x被替换成5+1，所以这条语句实际上变成了:
printf("%d\n", 5 + 1 * 5 + 1);

产生这样结果的原因是：有替换的表达式并没有按照预想的次序进行求值，这时候我们可以在宏定义加上两个括号，就可以解决这个问题了。
如：

#define SQUARE(x) (x)*(x)
#include
int main()
{
	printf("%d\n", SQUARE(5+1));//希望得到36
	return 0;
}

代码运行的结果为：

当大家以为加上括号后以为就safe了咩?但是还会有出现警告的情况！️
eg:

#define ADD(x) (x)+(x)
#include
int main()
{
	printf("%d\n", 10*ADD(5));//希望得到100
	return 0;
}

代码运行的结果为：

像这样的问题，还需在宏定义表达式两边加上一对括号
如：

#define ADD(x) ((x)+(x))
#include
int main()
{
	printf("%d\n", 10*ADD(5));//希望得到100
	return 0;
}

代码运行的结果为：

总结：

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的存在而发生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，首先对参数进行类型检查，看看是否包含#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。

eg:

#include
#define M 100
int main()
{
	int a = M;
	printf("%d\n", a);
	printf("This is M\n");
	return 0;
}

代码运行的结果：

3.2.4 #和##

如何把参数插入到字符串中？
栗子1：

#include
int main()
{
	printf("hello world\n");
	printf("hello" " world\n");
	return 0;
}

代码运行的结果为：

从上面代码的运行结果中我们可以发现，字符串是有自动连接的特点的。
eg2:

#include
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);
	float c = 30;
	printf("The value of c is %f\n", c);
	return 0;
}

代码运行的结果为：

在上面的代码中，我们可以看出字符串中的只有字符a、字符b、字符c和打印格式是不一样的，我们能不能把对应的字符和打印格式传到字符串中呢？显然，这是不可能通过函数传参实现的，但是可以在定义宏中使用#，把一个宏参数变成对应的字符串

eg3：

#include
#define PRINT(format,x) printf("The value of "#x" is "#format"\n",x)
int main()
{
	int a = 10;
	PRINT(%d,a);
	int b = 20;
	PRINT(%d, b);
	float c = 30;
	PRINT(%f, c);
	return 0;
}

//printf("The value of "#x" is "#format"\n", x)
//等价于
//printf("The value of ""x"" is ""format""\n", x)

代码运行的结果为：

##的作用：

##可以把位于它两边的符号合成一个符号，即允许宏定义从分离的文本片段创建标识符。

eg:

#include
#define PASTE(x,y) x##y
int main()
{
	int class108 = 108;
	printf("%d\n", PASTE(class, 108));
	return 0;
}

代码运行的结果为:

解释： 在预处理阶段，宏定义传过去的参数class和108会被替换成class##108，合成之后得到标识符class108。注意： 这样的链接必须产生合法的标识符。否则其结果就是未定义的。

3.2.5 带副作用的参数

当宏的参数在宏定义中超过一次的时候，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。

eg1：

	int a = 1;
	int b = 0;
	b = a + 1;//不带副作用
	b = a++;//带有副作用

eg2:

#include
#define MAX(a,b) ((a)>(b)?(a):(b))
int main()
{
	int x = 5;
	int y = 6;
	int z = 0;
	z = MAX(x++, y++);
	printf("%d\n", x);
	printf("%d\n", y);
	printf("%d\n", z);
	return 0;
}//输出的结果是什么？

代码运行的结果如下：

解释：

#include
#define MAX(a,b) ((a)>(b)?(a):(b))
int main()
{
	int x = 5;
	int y = 6;
	int z = 0;
	z = MAX(x++, y++);
	//在预处理阶段，会被替换成
	//z=((x++)>(y++)?(x++):(y++))
	//后置++，先使用，再加加
	//先判断x和y谁大，然后x和y各自加加
	//y比较大后,执行(y++)的表达式
	//先把y的值赋给z，然后y++
	printf("%d\n", x);
	printf("%d\n", y);
	printf("%d\n", z);
	return 0;
}

如果我们使用函数，则不会受到函数参数副作用的影响，因为传参的时候，传过去的值是发生副作用之前的值。

eg3：

#include
int Max(int x, int y)
{
	return((x) > (y) ? (x) : (y));
}
int main()
{
	int x = 5;
	int y = 6;
	int z = 0;
	z = Max(x++, y++);
	printf("%d\n", x);
	printf("%d\n", y);
	printf("%d\n", z);
	return 0;
}

代码运行的结果为：

3.2.6 宏和函数对比

与函数相比，宏应用于简单的运算更有优势，原因有二：

1.用于执行调用函数和从函数返回的代码的时间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运算规模和速度方面更有优势。
2.函数的参数必须声明特定的类型，所以函数只能在类型合适的表达式上使用；相反，宏可以适用于整型、长整型、浮点型等可以用来比较的类型。

宏的缺点：

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.宏的代码在预处理阶段就替换成宏的内容对应的代码，所以在调试的时候，执行的代码和你在源代码中所看到的代码是不一致的。
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，导致程序容易出现问题。

宏有时候可以做到函数做不到的事情，比如：宏的函数可以出现类型，但函数做不到。
eg:

#include
#define MALLOC(num,type)\
		(type*)malloc(num*sizeof(type))
int main()
{
	int* ptr = NULL;
	ptr = MALLOC(10, int);
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ptr[i] = i;
		printf("%d ", ptr[i]);
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

代码运行的结果为：

宏和函数的对比：

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，都会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，否则临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带来不可预测的结果	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，只要参数的操作合法，可以用于任何类型	函数的参数是与类型有关的，如果参数类型不同，就需要使用不同的函数，即使函数执行的任务相同
调试	不方便调试	函数可以逐语句调试
递归	宏是不能递归的	函数是可以递归的

3.2.7命定约定

一般来讲函数和宏的语法很相似，所以语言本身没有办法帮我们区分二者，那我们可以养成一个良好的习惯：

1.宏的名字全部大写
2.函数名不要全部小写

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定义，那么它的旧名字首先要被移除。

eg:

#define MAX 100
int main()
{
	printf("%d\n", MAX);
#undef MAX
	printf("%d\n", MAX);
	return 0;
}

代码运行的结果为：

3.4 命令行定义

许多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版本时，这个特性优点用处。（假定程序中声明一个某个数组长度的数组，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）

#include
int main()
{
	int array[ARRY_SIZE];
	int i = 0;
	for (i = 0; i < ARRY_SIZE; i++)
	{
		array[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
	{
		printf("%d ", array[i]);
	}
	printf("\n");
	return 0;
}

编译指令：

//linux
gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

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。比如说：调试的代码，删除可惜，保留又碍事，所以我们可以进行选择性的编译。

常见的条件编译指令：

//1.
#if 常量表达式
	//...
#endif
//常量表达式求值

eg1:

#include
int main()
{
#define n 1
#if n
	printf("%d\n", n);
#endif
	return 0;
}

代码运行的结果为：

eg2:

#include
int main()
{
#define n 0
#if n
	printf("%d\n", n);
#endif
	return 0;
}

代码运行的结果为：

解释：

该条件编译指令，if后面可以是常量、#define定义的常量，但是不能为变量；if语句后面的常量表达式如果为真，则执行if后面的语句；为假则什么事情都不发生。

//2.多分支的分支条件编译
#if 常量表达式
	//...
#elif 常量表达式
	//...
#else
	//...
#endif

eg3:

#include
int main()
{
#define n 5
#if(n==3)
	printf("%d\n", 3);
#elif(n==5)
	printf("%d\n", 5);
#else
	printf("%d\n", 0);
#endif
	return 0;
}

代码运行的结果为：

解释：

该条件编译语句，可以对#define定义的常量进行判断，依次进行条件判断，最后执行符合条件的语句。

3.判断是否被定义
#if define(symbol)
//判断#define是否定义该标识符symbol
//不判断标识符的真假。若是定义了则执行后面的语句
#ifdef symbol
//和上面的条件编译等价

#if !defined(symbol)
//如果标识符symbol未被#define定义
//则执行后面的语句
//#ifndef symbol
//和上面的条件编译等价

//4.嵌套指令
#if defined(OS_UNIX)
	#ifdef OPTION1
		unix_version_option1();
	#endif
	ifdef OPTION2
		unix_version_option1();
	#endif
#endif defined(OS_MSDOS)
	#ifdef OPTION
		msdos_verssion_option2();
	#endif
#endif

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，就像该文件出现于#include指令的地方一样。这种替换的方式文件简单：预处理器删除这条指令，并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 头文件的包含的方式：

• 本地文件包含

#include "filename"

查找策略： 现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。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 12.0\VC\include

注意按照自己的安装路径去找。

• 库文件包含

#include

对于库文件也可以使用""的形式包含，因为头文件查找是现在源文件所在目录查找，然后再库函数文件的位置去查找；但是这样做的效率会降低，同时不容易区分是库文件还是本地文件。

3.6.2 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；这样最终程序就会出现两份comm.h的内容，这样就造成文件内容的重复。

方法一：

//每个头文件的开头写：
#ifndef __TEST_H__//未定义执行
#define __TEST_H__//定义
	//头文件的内容
#endif

方法二：

//每个头文件的开头写：
#pragma once

这样就可以避免头文件的重复引入

4.其他预处理指令

#error
#pragma
#line
//大家感兴趣的，可以去了解一下

总结

本章我们一起了解了执行程序的环境、预处理的过程以及相关的预处理指令，希望对大家了解预处理过程有些许帮助，感谢大家阅读！如有不对，欢迎纠正！