预处理详解 C语言

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。

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。

代码示例：
add.c

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

test.c

#include

extern int Add(int,int);

int main() {
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = Add(a, b);
	printf("%d",c);
}

运行之后就可以在文件中找到两个相应的目标程序：

编译原理图片举例示例：

在链接这一步骤中，可以检测函数是否定义，例如下图：

当add.c和test.c进行链接时，检测到Add函数在add.c中存在定义，而在test.c中没有定义，于是链接之后Add函数就继承了add.c中为其定义的地址，所以说链接可以检查函数是否定义；

下面进行来一道题巩固一下知识：

问题：
由多个源文件组成的C程序，经过编辑、预处理、编译、链接等阶段会生成最终的可执行程序。下面哪个阶段可以发现被调用的函数未定义？( )
A.预处理
B.编译
C.链接
D.执行

由上面所给知识可知，答案为C；

运行环境

程序执行的过程：

. 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。
. 程序的执行便开始。接着便调用main函数。
. 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。
. 终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

二、预处理详解

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；
举个栗子：

#include

int main()
{
	printf("file:%s line:%d\n", __FILE__, __LINE__);
	return 0;
}

这段代码可以打印文件所在位置，以及printf这段代码所在的行号；

#define

#define 定义标识符

语法：
#define name stuff

stuff这里可以是一段表达式，也可以是数字或字母；

可以用一段代码举例：

#include

#define CASE break;case

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

有一个在萌新时期都会有的一个困惑：
在define定义标识符的时候，要不要在最后加上 ; ?
例如：

#define MAX 1000;
#define MAX 1000

其实这里面大有讲究，可以看一下下面这段代码：

#include

#define MAX 1000;

int main() {
	int max = 0;
	max = 1000;
	if (max == MAX) {
		printf("1");
	}
	else {
		printf("2");
	}
	return 0;
}

代码运行结果出错：

那这是为什么呢？

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。

例如：

#define SQUARE( x ) x * x；

如果带入一个等于5的变量进去

#include

#define SQUARE( x ) x * x

int main() {
	int a = 5;
	int ret=SQUARE( a );
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

那结果肯定不出所料

但是如果带入一个表达式进去呢
例如：

#include

#define SQUARE( x ) x * x

int main() {
	int ret=SQUARE( 5+1 );
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

那就结果会是36吗？
答案是11

为什么呢？

应该改为：

#define SQUARE( x ) (x) * (x)

那么计算式为 （5+1）*（5+1）
结果为：

关于#define还有一个宏定义就是：

#define DOUBLE(x) (x) + (x)

代码示例：

#include

#define DOUBLE(x) (x) + (x)

int main() {
	int a = 5;
	printf("%d\n", 10 * DOUBLE(a));
	return 0;
}

结果为多少呢？

为什么不是100呢？那当然问题也是处在优先级上；
代码实际打印的值为：

printf ("%d\n",10 * (5) + (5));

10*5+5那当然是等于55啦；
可以这样更改代码：

#define DOUBLE( x) ( ( x ) + ( x ) ) 

这样结果就会是100啦；

所以：

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。

来两道题测试一下：

设有以下宏定义:
#define N 4
#define Y(n) ((N+2)*n) /这种定义在编程规范中是严格禁止的/

则执行语句：
z = 2 * (N + Y(5+1));后，z的值为（ ）
A.出错
B.60
C.48
D.70

解析：D
2*（4+（（4+2）*5+1））=70；

下面代码执行的结果是：（ ）
#define A 2+2
#define B 3+3
#define C A*B
int main()
{
printf(“%d\n”, C);
return 0;
}
A.24
B.11
C.10
D.23

解析：B
2+2*3+3=11；

#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：

. 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。
. 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。
. 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。

尤其注意的是：

. 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。
. 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？

首先我们看看这样的代码：
char* p = “hello ““bit\n”;
printf(“hello”,” bit\n”);
printf(“%s”, p);

这里输出的是不是
hello bit ？
答案是确定的：是。
我们发现字符串是有自动连接的特点的

那么我们就可以发现宏定义的又一个大用处，代码示例：

#include
#define PRINT(n, format) printf("the value of "#n" is " format "\n", n)
//                                         #的作用是将#后面对内容应的转化为字符串

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

	int b = 15;
	//printf("the value of b is %d\n", b);
	PRINT(b, "%d");

	float f = 4.5f;
	//printf("the value of f is %f\n", f);
	PRINT(f, "%f");
	return 0;
}

运行结果为：

##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。

例如：
一、

#include
#define CAT(x,y) x##y

int main()
{
	int Year = 0;
	Year=CAT(20, 24);
	printf("%d\n",Year);
	return 0;
}

运行结果：

二、

#include
#define CAT(x,y) x##y

int main()
{
	int NowYear = 2023;
	printf("%d\n", CAT(Now,Year));
//  等价于 
//  printf("%d\n",NowYear);
	return 0;
}

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

可以利用MAX宏证明有副作用的参数所引起的问题

#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);
}

输出的结果是什么？

解析

#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。

代码示例：

#include
#define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y))
int main()
{
	int c = MAX(3, 5);
	printf("%d\n", c);
#undef MAX
	c = MAX(5, -5);
	printf("%d\n", c);


	return 0;
}

运行结果：

由于undef移除宏MAX的定义，所以执行到后面时，编译器就会报错；

三、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。

例如：

#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：

. 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。
. 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：

. 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。
. 宏是没法调试的。
. 宏由于类型无关，也就不够严谨。
. 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)) 

预处理器替换之后：

(int *)malloc(10 * sizeof(int));

宏和函数的一个对比图

inline - 内联函数

宏和函数各有千秋，内联函数就可以同时具备宏和函数的好处

概念：以 inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数压栈的开销，内联函数提升程序运行的效率。

代码示例：

inline int add(int a, int b)
{
	return a + b;
}

当然啦，由于内联函数是补充知识，在这里就不多讲啦
以后有时间我会将内联函数详细的整理出来给大家参考。

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

例如：

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

四、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。）
代码示例;

#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; 
} 

编译指令：

gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

使用编译指令后就可以改变ARRAY_SIZE的大小，让其可以刚改为我们想要的大小；

五、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。
比如说：

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。

代码示例：

#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__ 
 } 

运行结果：

常见的条件编译指令：

1. 单个分支的条件编译

#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

#if语句后面为真，则编译其后面的语句，假则不编译； 与if语句最大的差别就是if语句条件为假时，同样要编译，只是不执行；

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

代码示例：

#include
#define WIN 0

int main()
{
#if defined(WIN)//检测是否被定义
	printf("windows");
#endif


	return 0;
}

运行结果：

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 

六、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。

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环境的标准头文件的路径：

C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 9.0\VC\include
注意按照自己的安装路径去找。

2.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。

嵌套文件包含

嵌套文件包含是十分常见的，就例如下图：

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。

那怎么解决这个问题呢？
那就需要用到条件编译了！
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。

下面来两道简答题巩固一下知识：

1. 头文件中的 ifndef/define/endif是干什么用的?

解析：防止重定义,也就是防止对已经声明的变量产生冲突

2. #include 和 #include "filename.h"有什么区别?

解析：查找策略不同、查找效率不同

总结

这又是一个很大的知识点啊！
如果还有什么想要了解的知识，可以去看一下《编译原理》以及《程序员的自我修养》，希望大家能够很好的掌握这些知识！