程序环境和预处理
马行无力皆因瘦，人不风流只为贫
作者：Mylvzi
文章主要内容：程序环境和预处理
前言：
c程序的实现并不是简单的在vs上写好代码再调试执行的过程，vs是一种集成开发环境，简单来说，集成开发环境就是一个智能软件，它帮助人们进行代码的编写，执行，但背后具体的细节往往被忽略，了解这些细节有助于我们加深对计算机底层原理的认知，也能提高我们的代码理解能力
一.程序环境
任何一个ANSI C（标准C语言)的实现都需要经过两个“环境”-->翻译环境和执行环境
翻译环境：将所写代码（文本信息）转变为计算机语言（机械指令，二进制语言）形成目标文件并与链接库链接(给的任务看不懂，翻译为机器能看懂的语言)
-->将中文翻译成英文，并给你一些注释(链接库)
执行环境：执行计算机指令(得到任务，开始干活)
二.详解编译和链接
翻译环境图解
编译
编译：将文本信息翻译为计算机语言
编译分为三个过程：
1.预编译(预处理)-->文本操作，处理预处理指令（头文件包含，#define的替换，注释删除）
#include #define的替换都叫做预处理指令
2.编译-->（将C语言代码翻译为汇编指令）
3.汇编-->(将汇编指令转变为机械指令)
在LINUX环境中，利用gcc编译器查看编译过程的每一步：
LINUX:目标文件和可执行程序是通过ELF这种文件格式来存放计算机指令
readelf:读取elf的文件格式：
test.o的这种文件是按照段的形式存储的，他的信息被一个一个段划分存储
运行时环境
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.预编译详解
预编译阶段会处理所有的预处理指令，预处理指令有很多，比如：头文件的包含，#define的替换等等，下面将详细讲解预编译过程中都会处理那些预处理指令
1.预定义符号
预定义符号：是语言内置的，需要使用的时候就直接打印就行（就是为了方便）
在预处理阶段会直接被替换为相应的文本
2.#define
#define定义的标识符
//#define定义的标识符
#define M 100
#define REG register
#define FOR 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__ )
注意：在使用#define定义的标识符时，不要在末尾添加“ ；”，否则可能出现两个分号的情况
#define定义的宏（重点）
宏：就是一种替换文本的工具，和#define定义的标识符作用类似
注意：
1.成员列表（parament-list）的左括号必须与name相连
2.stuff的每个参数都必须单独使用（）括起来，且整体也要使用（）括起来，避免优先级的错误
//宏
#define SQUARE(x) ((x)*(x))
int main()
{
int a = SQUARE(5);
printf("%d\n", a);//输出5*5=25
return 0;
}
#define SQUARE(x) x*x //不添加括号，存在优先级的错误
//宏只是一种“形式”上的替换，他根本不会计算表达式的值
int main()
{
int a = SQUARE(3+2);
printf("%d\n", a);//3+2*3+2=11
return 0;
}
#define DOUBLE(x) (x) + (x)
int main()
{
int a = 5;//会输出100吗
printf("%d\n", 10 * DOUBLE(a));//10*(5)+5 == 55
return 0;
}#define的替换规则：
#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：#define定义过程中可以嵌套，但定义的宏无法递归使用
如果定义的标识符常量在字符串中出现，在预处理阶段并不会被替换
3.#和##
#：使宏参数以字符串的形式出现
//我希望在字符串中添加宏参数，并不能直接写一个参数，因为在预处理时，字符串的内容并不会被扫描
//解决方法：就是让参数以字符串的形式出现-->在参数前添加#
#define PRINT(n, format) printf("the value of " #n " is " format "\n", n)
//format不需要再单独添加“”，因为传递的参数自带“”
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;
}##： 把左右两边的符号合成为一个符号
#define CAT(x,y) x##y
int main()
{
int ab = 10;
printf("%d\n", CAT(a,b));//10
printf("%d\n", ab);//10
return 0;
}注意：连接后的标识符必须是一个合法的，可以被识别的标识符，否则就无意义
4.带有副作用的宏
如果参数具有“副作用”，可能会出现意想不到的结果，要避免宏的参数具有副作用
//带副作用的宏参数
int main()
{
int a = 10;
//int b = a+1;//b=11, a=10 无副作用
//int b = ++a;//b=11, a=11 具有副作用
return 0;
}
#define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y))
int main()
{
int x = 5;
int y = 8;
int z = MAX(x++, y++);//带有副作用的参数
//替换：((5++) > (8++) ? (5++) : (8++))
// 先使用值，5<8 --> (8++) -->所以z=8+1=9
//((5++) > (8++) 值使用完之后在进行副作用，x=x+1=6,y=y+1=9
//最后的(8++)使用完后，执行y=y+1=9+1=10
//x=6,y=10,z=9
printf("x=%d y=%d z=%d\n", x, y, z);//输出的结果是什么？
6 10 9
return 0;
}5.宏与函数的区别
宏是小聪明，好看，好用，方便，但是不严谨，只能适用于简单的工作
函数是大智慧，使用不方便（耗时长），消耗的资源多，但是严谨，适用于大型工作
1.宏更适用于执行简单运算
2.宏与函数的比较
1.宏无法调试，而函数可以调试，可以发现计算过程中的错误
2.宏是形式上的替换，在预编译阶段直接替换，会增加源代码长度，如果大量使用，会导致代码长度过长；而函数是随用随找，不会增加代码长度（使用就进入）
3.宏不需要声明类型，无类型限制（不太严谨），函数有严格的类型限制
4.宏在传递参数时不会计算结果，可能出现副作用；而函数在传递时，会先计算值，不会有歧义
5.宏的参数可以出现类型，但函数不能（把类型当作参数）
6.宏的参数必须严格添加（），避免优先级的错误！
7.宏的执行速度更快，函数因为函数调用，函数栈帧开辟以及函数返回所需额外时间更多，所以执行效率较低（但如果是大型计算过程，相较于计算过程所需的时间，函数额外使用的时间可以忽略不计）
8.宏无法递归，函数可以递归使用
9.宏名一般全部大写，函数名一般首字母大写
//宏的参数可以是类型
#define MALLOC(num,type) (type*)malloc(sizeof(type)*num)
int main()
{
int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//我觉得这样开辟太麻烦，使用宏替换
int* p = MALLOC(10,int)；//这样就实现了相同的功能
//宏的参数可以出现类型，而函数不能
return 0;
}3.集百家之长-->内联函数
内联函数： 集合宏的优点（计算速度快）和函数的优点（方便调试）的一种特殊类型的函数
1.可以被调试，可以观察每一步计算的具体过程
2.不需要进行函数栈帧的开辟，函数返回，节省时间
3.内联函数还是由编译器处理的，宏是在预处理阶段进行的形式替换
inline int Add(int x, int y)
{
return x + y;
}
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
int c = Add(a, b);
printf("%d\n", c);
return 0;
}
6.#undef
#undef用于去除已有的宏定义
格式：#undef NAME
在预编译过程中执行
7.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。）
8. 条件编译
所谓的条件编译就是在不同条件下编译不同的代码，既不用删除代码，也不需要编写多份代码
9.文件包含
#include指令可以被另一个文件编译，会被编译的结果替换
替换方式很简单：
1.#include出现在哪里，就在哪里替换
2.出现一次，就替换一次；出现十次，就替换十次（相当于被编译了10次）
头文件包含
C语言中的头文件包含有两种方式：
1.《 》包含 《》包含一般应用于库文件的包含，如:#include
2.“”包含 " "包含一般应用于程序员本身头文件的包含，如：#include "test.h"
注意：“包含”其实是一种搜寻的过程，即检查路径之下是否包含被编译的文件；
“”的搜寻路径有两种，会现在源文件所在目录下搜寻，如果未找到，去库文件路径下搜寻；而《》的搜寻路径只有库文件路径
使用《》包含库文件，效率更高！
处理嵌套文件包含
#include的替换方式是出现一次，就替换一次，就编译一次；在使用的过程中可能会出现嵌套文件的包含，那么同一文件有可能在预处理的过程中被编译多次，大大增加代码量，要解决这个问题，有两种解决方式（通过条件编译解决）
四.其他预处理指令
#error 是一种在程序中提醒和报错的工具
#pragma
#line
... ... ...
比如：#pragma pack(8) 修改默认对齐数为8
五.总结
本文主要讲解了c程序实现过程中的两个环境：翻译环境和执行环境，具体讲解了翻译环境中的编译和链接的过程；又详细的讲解了编译过程中的预编译过程；尽管如今的集成开发环境已经如此便利，我们还是要去学习背后的基本逻辑与代码，这样才能加深我们对代码的理解能力
推荐书籍：
1.《程序员的自我修养》（强烈推荐）
2.《高质量c/c++编程指南》
3.《编译原理》
4.《C语言深度剖析》