C语言进阶-程序环境与预处理

目录

1.程序的翻译环境

2.程序的执行环境

2.1翻译环境

 2.2编译本身也分为几个阶段

 2.3 运行环境

3.详解：C语言程序的编译+链接

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 宏和函数对比

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。

宏和函数的对比：

3.2.7命名约定

3.3 #undef

3.4 命令行定义

3.5 条件编译

​编辑

3.6 文件包含

3.6.1 头文件被包含的方式：

Linux环境的标准头文件的路径：

VS环境的标准头文件的路径：

3.6.2 嵌套文件包含

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1.程序的翻译环境

 

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。

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2.程序的执行环境

2.1翻译环境

1.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 ）。

2.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。

3.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

 

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 2.2编译本身也分为几个阶段

1. 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。

2. 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。

3. 汇编 gcc -c test.c

汇编完成之后就停下来，结果保存在test.o中。

下面我们拿两端代码举例：

sum.c

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

test.c

#include
//声明
extern int Add(int x, int y);
int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	scanf("%d %d", &a, &b);
	int c=Add(a, b);
	printf("%d", c);
	return 0;
}

下面我们打开文件夹： 

 

 

我们可以看到每一个.c文件都生成了一个目标文件 

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因为VS是一个集成开发环境，集成了许多的功能，所以并不方便观察每个细节，下面我们用gcc编译器来给大家演示哈（这里我用的是vscode）~~~

先来个图了解一下

下面我们正式分析 

 

这里我们使用命令gcc test.c后，生成了a.exe文件，再输入./a.exe程序便执行了

' . '，这个符号是当前目录的意思

我们现在的操作是直接经过整个翻译环境生成了.exe文件

下面我们来演示更加细致的操作

 

先通过命令rm ./a.exe 我们把a.exe文件删除掉

1.先执行预编译

使用命令 gcc test.c -E,可以看到生成了一堆文件

 我们可以加上命令 -o test.i ,把这些内容都放在test.i中，可以看到生成了新的文件test.i，终端也没有一大串内容了 这些内容其实是#include里面的内容，，这一步骤进行的其中一个操作是头文件的包含

 

下面我们可以看到，经过预编译处理，注释会被删除，#define定义的符号也会被替换

 

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2.再进行编译 

使用gcc test.i -S生成一个.s文件，把C语言代码翻译成汇编代码

1. 语法分析
2. 词法分析
3. 语义分析
4. 符号汇总

 

3.汇编 

1.把代码转换成二进制的指令

2.形成符号表

 输入gcc test.s -c命令后生成test.o目标文件，在vs中生成的为.obj,在gcc编译器下生成的是.o

 

 4.链接

1.合并段表

2.符号表的合并和重定位

最后链接器将所有test.o类型的文件链接起来生成了.exe的可执行程序 

我们使用命令gcc test.o -o test.exe可以把test.o生成的可执行程序放在test.exe中

 

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这里我们画个图单独聊聊符号汇总

 

局部变量只有在函数运行起来才会创建，所以在编译阶段是看不到他们的，全局变量是可以看到的 。 

 

 

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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。

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。

3.详解：C语言程序的编译+链接

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

这些都是语言内置的，下面看一个例子

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

         运行效果

 

 

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 3.2 #define

3.2.1 #define 定义标识符

语法：#define name stuff

举例： 

#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(;;)     //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__ )  

在使用define定义标识符时最好不要加分号

#define MAX 1000;
if(condition)
 max = MAX;
else
 max = 0;

这里就会有语法错误 

 

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 ）。

#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1：

#define SQUARE( x ) x * x

预处理器会把这个表达式置换为5*5 ，但是我们在使用时最好加上一个括号，为什么呢，下面来个例子：

int a = 5;
printf("%d\n" ,SQUARE( a + 1) );

你可能会觉得结果是36，但结果其实是11

这个宏其实存在问题，为什么呢？

因为在使用define定义的内容时，会先将其进行替换后在进行运算那么就变成了：

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

若是把两个x都加上括号：

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

 那么就可以达到预期效果：

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

例2： 

有这么一个宏 

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

下面来分析一下下面代码的执行情况：

int a = 5;
printf("%d\n" ,10 * DOUBLE(a));

 我们想要的结果是100，但其实输出的是55

为什么呢？

因为在替换后变成了：

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

因此，我们还要加一个括号：

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

 现在输出就正常了：

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

Tip:

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。

3.2.3 #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。

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3.2.4 #和##

我们来分析一段代码：

char* p = "hello ""world\n";
printf("hello"" world\n");
printf("%s", p);

运行结果：

 我们发现字符串是有自动连接的特点的。

那么我们可以写出下面这样的代码：

#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
 printf("the value is "FORMAT"\n", VALUE);
PRINT("%d", 10);

   这里只有当字符串作为宏参数的时候才可以把字符串放在字符串中。      

这里还有另外一个技巧：

使用 # ， 把一个宏参数变成对应的字符串 。

比如：

int i = 10;
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
 printf("the value of " #VALUE "is " FORMAT "\n", VALUE);
PRINT("%d", i+3);

代码中的#value会被预处理器处理为 :"VALUE"

结果为：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。

下面给一段代码：

#define ADD_TO_SUM(num, value) \
 sum##num += value;
ADD_TO_SUM(5, 10);

 它的作用是给sum5加上10

注意：但是这样的连接必须可以产生一个合法的标识符，否则它的结果就是未定义的

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3.2.5 带副作用的宏参数

当宏参数在宏的定义中超过了一次的时候，若是参数带有副作用，在使用这个宏的时候可能就会有危险，使结果偏离预期；

副作用可以这样理解，当你第一次调用这个参数时由于你添加了一些别的运算符，再第二次想要调用这个参数的时候这个参数已经被改变了，不是一开始的参数了。

下面给个例子：

x+1;//不带副作用
x++;//带有副作用

 来证明一下

#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？

这段代码替换后就是 ：z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));

 这里我们可以分析一下这个带有副作用的执行情况：

x++，y++为后置++，先使用再++，先判断x>y是否成立，但是y大，所以不成立，这时用完后

x=6，y=9；

由于条件不成立，那么y++就返回给z，z=9，使用完后y再加一次，y=10；

代码结果应该为：x=6,y=10,z=9;

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3.2.6 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))

那么它相较于函数的优点在哪里呢？

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。

函数调用的时间花费：

• 函数调用前准备（传参，函数栈帧空间的维护）
• 主要运算
• 函数返回，返回值的处理，函数栈帧的销毁

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。反之这个宏可以适用于整形、长整型、浮点型等可以 用> 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 相同的。
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

3.2.7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

3.3 #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。

#define NUM 10
int main()
{
	int a = NUM;
	printf("%d\n", a);
#undef NUM
#define NUM 20
	 a = NUM;
	printf("%d", a);
	return 0;
}

效果：

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。）        

#include
int main()
{
    int arr [SZ];
    int i = 0;
    for(i = 0; i< SZ; i ++)
   {
     arr[i] = i+1;
   }
   for(i = 0; i< SZ; i ++)
   {
   printf("%d " ,arr[i]);
   }
   printf("\n" );
   return 0;
}

 

 

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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。因为我们有条件 编译指令。

比如说我们写了一堆代码，要调试的时候，有一段代码先不需要他发挥作用了，删除了又舍不得，不删除又不难达到预期效果，那么我们就可以选择性的编译

#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：  

#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

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 #include 指令的地方 一样。

3.6.1 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。

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

// 这是 VS2013 的默认路径

这里按照自己的安装路径找

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。

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。

下面我们给出一个解决方案：

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 

就可以做到避免头文件的重复引用了

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                       今天的博客就到这里了，谢谢大家的支持！