【C语言】预处理详解

一、程序的翻译环境和执行环境

1.1 翻译环境

C语言每次运行完一个程序后会出现可执行程序.exe文件，那么这是怎么从.c文件变成.exe文件呢？

1️⃣ 所有源文件(头文件会拷贝到源文件中)通过编译器转换成目标文件(.obj)
2️⃣ 目标文件由链接器结合在一起，形成一个可执行程序

而这里编译器处理的编译过程也可以分为三个部分：

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1.2 预处理->编译->汇编->链接

预处理：

1️⃣ 包含头文件
2️⃣ 宏替换
3️⃣ 去注释
test.c -> test.i

编译：

1️⃣ 把C语言代码转化为汇编代码
2️⃣ 进行了 语法分析，词法分析，语义分析，符号汇总（全局符号例如main函数、函数名）
test.i -> test.s

汇编：

1️⃣把汇编代码转换成二进制指令
2️⃣ 形成符号表（函数名加上地址）
test.s -> test.o

链接：

1️⃣ 合并段表（把相同的内容合并到一个区域）
2️⃣ 符号表的合并和重定位(声明处的地址没有意义，合并选择有意义的)
test.o -> text.exe

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1.3 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。

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二、详解预处理

2.1 预定义符号

C语言提供了一些能直接被使用的符号：

__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

int main()
{
    
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
    
		return EXIT_FAILURE;
	}
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
    
		fprintf(pf, "file:%s line:%d date:%s time:%s\n", __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__);
	}
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

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2.2 #define

语法：

#define name stuff

#define MAX 100
#define STR "abc"

int main()
{
    
	printf("%d %s", MAX, STR);
	return 0;
}

预处理后：

int main()
{
    
	printf("%d %s", 100, "abc");
	return 0;
}

#define的后面不要加 ;
续航符：

#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \ date:%s\ttime:%s\n" ,\ __FILE__,__LINE__ , \ __DATE__,__TIME__ )

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2.3.1 #define定义宏

#define name( parament-list ) stuff

比如现在实现一个平方的宏：

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

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

因为宏是直接替换代码，所以有些情况下会有符号优先级问题，所以应该尽量多加一些括号。

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2.3.2 #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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2.3.3 #和##

#：
把参数写进字符串

#define PRINT(n) printf("the value of " #n " is %d\n", n)

int main()
{
    
	int n = 10;
	PRINT(n);
	return 0;
}

#n会转化成"n"。

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##：
合并符号

#define CAT(a, b) a##b

int main()
{
    
	printf("%s\n", CAT("abc", "def"));
	int ABC = 1;
	printf("%d\n", CAT(A, BC));
	return 0;
}

2.3.4 带副作用的宏

#define MAX(a, b) (a) > (b) ? (a) : (b)

int main()
{
    
	int a = 5;
	int b = 4;
	int m = MAX(a++, b++);
	printf("%d\n", m);
	printf("%d %d", a, b);
	return 0;
}

结果：

6
7 5

本意是求较大值，这种重复计算就是副作用。

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2.3.5 宏和函数

比较大小的宏和函数：

#define MAX(a, b) a > b ? a : b

int Max(int a, int b)
{
    
	return (a > b ? a : b);
}

宏的优点：

1️⃣ 函数必须声明类型，而宏不用，宏是类型无关的。
2️⃣ 宏的效率要高于函数，因为函数需要创建栈帧和参数传参等。

宏的缺点：

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。

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2.3 #undef

这条指令用于移除一个宏定义。

#define MAX 100

int main()
{
    
#undef MAX
	MAX;//error
	return 0;
}

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2.4 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。

#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;
}

如果满足条件就让printf()参与编译，不满足就不参与编译。

int main()
{
    
#if 0
	printf("abc");
#endif
	return 0;
}

多个分支的条件编译：

#define M 3

int main()
{
    
#if M < 5
	printf("<");
#elif M == 5
	printf("==");
#else
	printf(">");
#endif
	return 0;
}

判断是否被定义：

#define A 1

int main()
{
    
#if defined (A)
//#ifdef A
//#if !defined(A)
//#ifndef A
	printf("YES");
#endif
	return 0;
}

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2.5 文件包含

为了防止文件被重复包含：

#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
.....
#endif

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