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[C++知识库]【C语言】程序环境和预处理

前言

本文的主要内容是对我们在写完代码之后，编译执行过程的详细说明。因此也会引出在编译之前进行的处理 —— 预处理命令的说明。

一. 程序的翻译环境和执行环境

在ANSI C的任何一种实现中，存在两种不同的环境。一种是翻译环境：源代码被转换成可执行的机器指令。一种是执行环境，用于实际执行代码

1.1 翻译环境（test.c—> test.exe）

我们知道计算机是没有办法认识除了二进制之外的语言的，所以我们现在编出来的代码要想让计算机认识并实现，就必须把它转换成二进制语言。我们把这个过程叫做程序的翻译过程。
程序翻译环境如下图：

程序的翻译过程又分为四个阶段：
1、预处理：
在这个阶段，它做了四个工作：宏替换、去注释、头文件展开和条件编译。
2、编译：
在这个阶段，它只做了一件事情，那就是将c语言编译成为汇编语言。
3、汇编：
在这个阶段，它也只是做了一件事情，把汇编语言变为目标二进制。
4、链接：
最后一步，将目标二进制文件和库函数链接形成可执行程序。

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（obj）。
每个目标文件由链接器捆绑在一起，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。

1. 编译

编译本身分为以下三个阶段：
（指令为Linux下执行）

预处理 gcc -E test.c -o test.i
（1）宏替换（2）删除注释
（3）头文件展开（4）条件编译
编译 gcc -S test.c -o test.s
将C语言翻译成汇编代码
（1）语法分析（2）词法分析
（3）语义分析（4）符号汇总
汇编 gcc -C test.c -o test.o
形成符号表，将汇编代码转化成二进制代码。

2. 链接

1 合并段表：不同符号表之间的段按照一定的规则合并，生成exe可执行文件。
2 符号表的合并和重定位
举例说明具体过程如下：

1.2 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
时也可以使用静态内存（static），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

2.1 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。举个例子：

int main()
{
	printf("%s\n", __FILE__);//进行编译的源文件的绝对路径
	printf("%d\n", __LINE__);//显示当前代码的行号
	printf("%s\n", __DATE__);//显示当前的日期
	printf("%s\n", __TIME__);//显示当前的时间

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

运行结果

STDC:当要求程序严格遵循ANSIC标准时，该标识符就会被赋值为1，否则未定义。

2.2 define

define 定义标识符

语法：#define name stuff

#define MAX 100
#define register reg//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__ )

注意：不要在最后面加上分号。虽不会报错，但#define定义标识符实际上是一种替换，加了分号，会连同分号一同替换过去，在一些情况下容易出错。

#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：#define DOUBLE(x) ((x)+(x))
注意：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。

如：

#define SQUARE(x) x*x

这个宏接收一个参数x。如果在上述声明之后，我们把

SQUARE(5)

置于程序中，预处理器就会用下面这个表达式替换上面的表达式：

5*5

那如果我们输入：

SQUARE(5+1)

结果会是多少呢？会是36吗？
答案是11。为什么呢？因为（5+1）当成了x,就成为了5+1*5+1,按照运算规则，结果就是11。
所以我们要想让它输出36，就必须加上小括号。

SQUARE(x) (x)*(x)

2.3 宏和函数对比

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。

所以用于执行简单的运算时通常用宏而不用函数。

当然和函数相比，宏也有劣势的地方：

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))
//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

项目	#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

#define 替换规则

在程序中扩展#define定义宏和符号时，需要涉及以下几个步骤：

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。

2.4 #和##

#的作用

因为字符串是有自动连接的特点，如：

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

打印后为"hello world"
可以使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串：

int i = 10;
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
 printf("the value of " #VALUE "is "FORMAT "\n", VALUE);
//the value of i+3 is 13
PRINT("%d", i+3);

##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。

//## 作用是将XY合并在一起
int main()
{
	int Class91 = 2020;
	printf("%d\n", CAT(Class, 91));//2020
	return 0;
}

注意：这样的连接必须产生一个合法的标识符。否则其结果就是未定义的。

2.5 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，但是如果另外一个机器内存大一些，就需要一个大一些的数组。

#include <stdio.h>
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

2.6 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：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。
常见的条件编译指令：

#if 常量表达式 //常量表达式为非0，则编译，否则不编译
...//选择编译取
#endif
//常量表达式由预处理器求值。
如：
#define __DEBUG__ 1
#if __DEBUG__
 //..
#endif

在预处理过程中，#if指令会测试DEBUG的值。由于DEBUG的值不是0，因此预处理器会将这两个printf函数调用保留在程序中（但#if和#endif行会消失）。如果我们将DEBUG的值改为0 并重新编译程序，预处理器则会将这4行代码都删除。编译器不会看到这些printf函数调用，所以这些调用就不会在目标代码中占用空间，也不会在程序运行时消耗时间。我们可以将#if-#endif保留在最终的程序中，这样如果程序在运行时出现问题，可以（通过将DEBUG改为1并重新编译来）继续产生诊断信息。

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

当defined 应用于标识符时，如果标识符是一个定义过的宏则返回1，否则返回0。

#ifdef指令测试一个标识符是否已经定义为宏;#ifndef指令与#ifdef指令类似，但测试的是标识符是否没有被定义为宏。

#ifdef 标识符//相当于 #if defined 标识符
当标识符被定义为宏时需要包含的代码
#endif

#ifndef 标识符//相当于 #if defined !标识符
当标识符被定义为宏时需要包含的代码
#endif

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

2.7 文件包含

库文件包含

#include <filename.h>

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。如果库文件也用""包含，语法上被允许，但在查找效率上就低些，也并不容易区分是库文件还是本地文件。

本地文件包含

#include “filename”

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（不固定）：

C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 9.0\VC\include

头文件包含中，易出现的错误：头文件的重复引入

常见于嵌套文件包含：

上图中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。test0.h和test0.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.

? 针对头文件的重复引用我们使用条件编译来解决！这里有两种方式：

//方式1：
#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
//头文件的内容
#endif  //__TEST_H__
//方式2：
#pragma once

注意：如果多个源文件同时用到的全局整数变量的声名和定义如果放在头文件中会被多次引用，相当于同一个头文件被重复拷贝在文件中，就相当于重定义。因此头文件一般放自定义的数据类型以及函数的声明。

2.8 其他预处理指令

`#error`指令

#error 消息

其中，消息是任意的记号序列。如果预处理器遇到#error指令，它会显示一条包含消息的出错消息。对于不同的编译器，出错消息的具体形式也可能会不一样。格式可能类似∶
Error directive∶消息
或者
#error 消息

遇到#error指令预示着程序中出现了严重的错误，有些编译器会立即终止编译而不再检查其他错误。

`#line`指令

#line指令是用来改变程序行编号方式的。（程序行通常是按1，2，3，…来编号的。）我们也可以使用这条指令使编译器认为它正在从一个有不同名字的文件中读取程序。

#line n
#line n "file name"

这个指令没什么用，为什么要把行编号改了呢？这不是徒添麻烦吗？

`#pragma`指令

#pragma指令为要求编译器执行某些特殊操作提供了一种方法。这条指令对非常大的程序或需要使用特定编译器的特殊功能的程序非常有用。
#pragma指令有如下形式∶

#pragma 记号
//如
#pragma pack()  //vs编译器有使用
#pragma once   //vs中防止包含重复头文件

其中，记号是任意记号。#pragma指令可以很简单（只跟着一个记号），也可以很复杂。

`#line`指令

#line n
#line n "file name"

这个指令没什么用，为什么要把行编号改了呢？这不是徒添麻烦吗？

`#pragma`指令

#pragma 记号
//如
#pragma pack()  //vs编译器有使用
#pragma once   //vs中防止包含重复头文件

其中，记号是任意记号。#pragma指令可以很简单（只跟着一个记号），也可以很复杂。
#pragma指令中出现的命令集在不同的编译器上是不一样的。你必须通过查阅你所使用的编译器的文档来了解可以使用哪些命令，以及这些命令的功能。顺便提一下，如果#pragma指令包含了无法识别的命令，预处理器必须忽略这些#pragma指令，不允许给出出错消息。