【C语言进阶】程序环境和预处理-阿里云开发者社区

🗒️前言

在上一章的学习中，我们已经学会了从文件中读取信息，以及一系列文件操作，本章我们就要走进程序，了解程序的环境和预处理。

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。

说明：计算机能够执行的是二进制指令。但是我们写出的C语言代码是文本信息，计算机不能直接理解，所以通过翻译环境，将C语言代码转化成二进制的指令（可执行程序），在通过执行环境来执行二进制指令。

二、详解编译和链接

2.1翻译环境

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）。

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。

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。

2.2编译的过程

我们可以在Linux系统上，使用 gcc 这个编译器演示整个过程。我们可以通过指令观察每个过程做了什么。

预编译：test.c -E -o test.i

-E 是让编译器进行完预编译就停止，然后输出的结果放进test.i文件。

预编译的功能：

注释的删除
#include 头文件的包含
#define 符号的替换

说明：所有的预处理指令都是在预处理阶段处理的。

编译：gcc -S test.c

编译完成之后就停下来，结果保存在test.s中。

编译的功能：

把C语言代码翻译成汇编指令

编译过程中，会进行语法分析，词法分析，语义分析，符号汇总。

汇编 gcc -c test.c

汇编完成之后就停下来，结果保存在test.o中。（test.o就是目标文件）

汇编的功能：

把汇编代码翻译成二进制的指令，放进目标文件。

链接 gcc test.o -o test

Linux 环境下 gcc 编译产生的目标文件 test.o ,可执行程序 test 都是按照 ELF 这种文件的格式来存储的。ELF 会把文件分成各种各样的段，这时就需要链接来合成这些段表.

链接的功能：

合并段表
符号表的合并和符号表的重定位

2.3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（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。

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

在 gcc 环境中，经过预处理，对符号进行了替换。

3.2#define

3.2.1 #define 定义标识符

语法形式：

#define name stuff

例如：

#define M 100
#define STR "abc"
int main()
{
  printf("%d\n", M);
  printf("%s\n", STR);
  return 0;
}

注意：在define定义标识符的时候，在最后不要加‘；’，否则会出现错误。

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）。

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。

例如：

#define SQUARE(x) x*x
int main()
{
  int a = 3;
  int n = SQUARE(a + 2);
  printf("%d\n", n);
  return 0;
}

我们想得到的结果是25，这里得到的为什么是11呢？

注意：在写宏时，我们要把每个参数用括号扩起来，同时宏整体也要扩起来。

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。

2.2.3 #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：

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，参数名被他们的值所替换。
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。

注意：

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。
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。

3.2.4 # 和 ##

使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串

#define PRINT(n,format) printf("the value of "#n" is "format"\n",n);
int main()
{
  int a = 3;
  PRINT(a, "%d");
  int b = 5;
  PRINT(b, "%d");
  float c = 10.0;
  PRINT(c, "%f");
}

使用 ##，把位于它两边的符号合成一个符号

#define CAT(x,y) (x##y)
int main()
{
  int a110 = 2023;
  printf("%d\n", CAT(a, 110));
}

3.2.5 带副作用的宏参数

这段代码的结果是什么呢？

#define MAX(x, y) ( (x) > (y) ? (x) : (y) )
int main()
{
  int a = 5;
  int b = 6;
  int c = MAX(a++, b++);
  printf("a=%d\n", a);
  printf("b=%d\n", b);
  printf("c=%d\n", c);
  return 0;
}

宏参数代替后：

int c = MAX(a++, b++);
int c =(a++)>(b++)?(a++):(b++);

a和b都是后置++，所以都是先使用，后++。

注意：当宏参数在宏的定义中出现超过一次的时候，如果参数带有副作用，那么你在使用这个宏的时候就可能出现危险，导致不可预测的后果。副作用就是表达式求值的时候出现的永久性效果。

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))

不用函数来完成这个任务的原因：

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。

使用宏来计算最大值的汇编代码和用函数计算最大值的汇编代码的对比：

宏的缺点：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。

宏和函数的一个对比

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
操作符的优先级	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
参数的类型	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	函数可以调试
递归	宏是不能递归的	函数可以递归

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。

#include <stdio.h>
#define MAX(x,y) ((x)>(y)?(x):(y))
int main()
{
  int n = MAX(3, 5);
  printf("%d\n", n);
#undef MAX
  int n = MAX(10, 5);
  printf("%d\n", n);
  return 0;
}

当程序编译时会报错。

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。）

编译指令：

//Linux 环境演示

gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

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，条件满足就编译，条件不满足就不编译。

常见的条件编译指令：

1.单个条件编译

#if 常量表达式

//...

#endif

#define M 1
int main()
{
#if M==1
  printf("hehe\n");
#endif
}

说明：if语句和#if不同，#if 表达式为假，在预处理阶段就会将代码删除。

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

如果定义了就执行

#if defined(symbol)

//…

#endif

#ifdef symbol

//…

#endif

如果没有定义就执行

#if !defined(symbol)

//…

#endif

#ifndef symbol

//…

#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

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。

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。

对于库文件也可以使用 “” 的形式包含。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

当头文件重复包含，在预处理阶段就会重复保存文件中的内容，这样大大降低了工作效率。为了解决头文件重复包含的问题，我们可以使用条件编译。

#ifndef  TEST_H
#define  TEST_H
    //头文件的内容
#endif   //__TEST_H__

解读：如果没有定义TEST_H，就执行下面的语句，第一次调用，一定没有定义TEST_H，所以执行下面的语句，定义TEST_H，头文件中的内容参与编译；当第二次在调用时，已经定义了 TEST_H，下面的代码不参与编译。

#pragma once

本次的内容到这里就结束啦。希望大家阅读完可以有所收获，同时也感谢各位读者三连支持。文章有问题可以在评论区留言，博主一定认真认真修改，以后写出更好的文章。

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