程序环境和预处理

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前言

一段程序在发生执行命令后，即可达到我们预想的效果，那这个过程中又有什么奥秘呢？ 让我们一起来探索吧。

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

第一种: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。
第二种:执行环境,它用于实际执行代码

二、编译+链接详解

2.1.翻译环境

组成一个程序的每个源文件通过编译过程就转成目标代码(object code).
每一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.

2.2.编译的阶段

如何在Linux环境下查看编译期间的每一步发生了什么呢?
1.预处理 选项 gcc -E test.c -o test.i 预处理之后就停下来，预处理之后产生的结果都放在test.i文件中
2.编译 gcc -S test.s中 编译完成之后就停下来,结果保存在test.s
3.汇编 gcc -c test.c 汇编之后就停下来,结果保存在test.o中

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,程序的载入必须由人工安排,也可能是通过可执行diamagnetic置入只读内存来完成的.
2.程序的执行便开始,接着调用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,存储在静态内存中的变量在程序的整个执行过程中一直保留他们的值.
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

这些预定义符号都是语言内置的.
代码如下（示例）：

int main()
{
    
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
    
		perror("fopen\n");
		return 1;
	}
	printf("file:%s line:%d\n", __FILE__, __LINE__);
	return 0;
}

3.2 #define定义标识符

代码如下（示例）：

#define MIN 0
#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
//如果定义的太过于长，可以分为几行，每一行后面加一个反斜杠(续航符)
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \ date:%s\ttime:%s\n" ,\ __FILE__,__LINE__ , \ __DATE__,__TIME__ )

在define定义标识符的时候,不要在后面加分号

3.3 #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)
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

代码如下（示例）：

#define SQUARE(X) X*X

int main()
{
    
	printf("%d", SQUARE(5));//5*5
	return 0;
}

代码如下（示例）：

#define SQUARE(X) X*X

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

这个宏存在一个问题,这个程序会输出36吗？
但它实际输出的是11

在使用宏时，很容易出现这种问题，所有我们在使用宏时，应该多使用括号来限制，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符之间不可预料的相互作用.

3.4 #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：
4. 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。
5. 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

3.5 #和##

首先我们看以下代码

int main()
{
    
	char* p = "hello ""da chang\n";
	printf("%s", p);
	printf("hello ""da chang\n");
	return 0;
}

我们发现字符串有自动连接的特点.

使用#,可以把一个宏参数变成对应字符串

#define PRINT(FORMAT,VALUE) printf("the value of "#VALUE " is "FORMAT"\n",VALUE);
int main()
{
    
	int a = 0;
	PRINT("%d", a + 3);//产生什么效果
	return 0;
}

代码中#VALUE会预处理器处理为:“value”

##的作用:
##可以把位于两边的符号合并为一个符号
它允许宏定义从分离的文本片段创建标识符

#define CONNECT(A,B) A##B
int main()
{
    
	printf("%s",CONNECT("wo yao", " jin da chang"));
	return 0;
}

3.6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，导致不可预料的后果。副作用就是表达式求值时候出现的永久性效果
例如:

x+1;//不存在副作用
x++;//存在副作用

#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);
	return 0;
}

我们本来想求的是6，9的最大值，但最后y的值被加到了10

3.7宏与函数的对比

宏一般被应用在执行简单的运算
例如:

//求两个数较大的一个
#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：

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。
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。
   宏的缺点：当然和函数相比宏也有劣势的地方：
3. 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。
4. 宏是没法调试的
5. 宏由于类型无关，也就不够严谨。
6. 宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程容易出现错。
   宏与函数的一个对比:

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，除了特别小的宏之外，程序长度会大幅度增长	函数代码只出现在一个地方，每次使用函数时，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	宏参数求值是在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，所以建议宏在书写时多加一些括号	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多个位置，所以带有副作用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位置	函数的参数是与类型有关的，如果参数类型不同，就需要不同的函数，即使执行任务是相同的
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

3.8命名规则

一般来讲函数的宏的使用语法很相似，有一个习惯
1.把宏名全部大写
2.函数名不要全部大写

3.9#undef

这里用于移除一个宏定义

#undef MAX
//如果我们现存的一个名字要重定义，那么它的旧名字首先要被移除

四、命令行定义

许多C编译器提供一种功能，允许在命令行定义符号，用于编译过程.
例如:

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

//Linux 环境演示
gcc -D sz=10 programe.c

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编译或者放弃是很方便的，因为有条件编译指令
常见条件编译指令：

//1.
#if 常量表达式
    //...
#endif
//常量表达式由预处理器求值
例如:
#define MAX 100
#if MAX
  //...
  #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

六、文件包含

6.1头文件被包含的方式

本地文件包含：

#define "filename"

查找方法：现在源文件的目录下查，如果查不到，编译器就会像查找库函数头文件一样在标准位置查找头文件，如果还查不到就提示编译错误。
Linux环境的标准头文件的路径：

/username/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

6.2嵌套头文件包含

这样test.c会包含两个common.h的内容,这样就造成的文件内容的重复
两种解决方案：

//1.每个头文件开头加上
#ifndef TIAOJIAN
#define TIAOJIAN
 //头文件的内容
 #endif

//2.
#pagma once

总结

今天比较底层的程序环境和预处理就到这里了，大家认真搞起来。