⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】

目录

前言

程序的翻译环境和执行环境

翻译环境

编译+链接

​翻译阶段详解

预编译

编译

汇编

链接

运行环境

预处理详解

预定义符号

#define

#define 定义标识符

#define 定义宏

宏定义计算弊端

#define 替换规则

#和##

#的作用

## 的作用

带副作用的宏参数

宏和函数对比

宏和函数优劣表

宏和函数命名约定

#undef

命令行定义

条件编译

条件编译类型

文件包含

头文件包含方式

嵌套文件包含


前言


本章主要讲解点:

  • 代码编译链接变成可执行程序程序的过程
  • 掌握学习各种预处理知识

程序的翻译环境和执行环境


任何一个代码从源文件(.c文件)到可执行文件(.exe文件)都经历了两个环境

  • 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
  • 执行环境:

用于实际执行代码

  • 图示:

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第1张图片

翻译环境


编译+链接

  • 编译:

组成一个程序的每个源文件(.c文件)通过编译过程分别转换成目标代码(.obj文件)

  • 链接:

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(.exe文件)

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
  • 图示:

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第2张图片

  • 链接库:

是一个二进制文件,包含了各种源程序可能用到的函数或类等

  • 示例:printf函数需要的库

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第3张图片翻译阶段详解

预编译

  • 该阶段执行内容:
  1.  头文件的展开(#include)
  2.  宏替换(#define)
  3.  条件编译的处理(#if #endif等)
  4.  去注释(//)
  • 示例:test.c
#include 
#define X 10
#define Y 20
 int main()
 {
     //this is a add ;
    int sum = X + Y;
    printf("sum = %d\n",sum);                                                        
    return 0;
}

  • 图示:

选项 gcc -E test.c -o test.i 预编译完成之后就停下来

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第4张图片

注:预编译也就是文本操作,所产生的结果都放在test.i 文件中(临时文件)

编译

  • 该阶段执行的内容:
  1. 词法分析
  2. 语义分析
  3. 语法分析
  4. 符号汇总
  • 图示: 

选项 gcc -S test.c (编译完成之后就停下来)

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第5张图片

注:编译后生成汇编代码,结果保存在test.s中

汇编

  • 该阶段执行内容:
  1. 形成符号表;
  • 图示:

选项 gcc -c test.c(汇编完成之后就停下来)

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第6张图片

注:汇编后生成可重定位的目标文件(由汇编指令转成二进制指令),结果保存在test.o中

符号表

只对全局变量生成符号表

  • 示例:

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第7张图片

链接

  • 该阶段执行的内容:
  1. 合并段表
  2. 合并符号表和符号表的重定位

注: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(.exe文件)

  • 合并段表:
  1. 将每个单独的.o文件的段表信息合并成为一个段表信息
  2. 每个目标为文件都是elf格式的文件,而elf格式的文件都是以段的信息存储信息的
  3. 在链接阶段,就是把add.o段表的信息和main.o段表的信息合并成为一个段表信息
  • 合并符号表:

将每个单独的.o文件形成的符号表合并成为一个符号表
将相同标识符的符号表成员保留有效对应地址

注:声明全局变量的地址是无效地址,只存在声明则会报错存在未定义标识符

  • 示例:

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第8张图片

运行环境


可执行文件的运行是在运行环境中运行的

  • 程序执行的过程:
  1. 程序载入内存中:在有操作系统中一般由操作系统完成,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. 调用main函数
  3. 执行程序代码: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

预处理详解


预定义符号

  • 内置预定义符号:
__FILE__    //进行编译的源文件(文件绝对路径)
__LINE__    //当前代码的行号
__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(gcc有定义,vs没有)
//注意是两个下划线
  • 示例:
printf("file:%s line:%d\n", __FILE__, __LINE__);

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第9张图片

#define

#define 定义标识符

  • 语法:
#define name stuff
  • 示例:
#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
//注:用于执行死循环
#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:建议define定义标识符的时候不要在最后加上

  • 示例:
#define MAX 1000;
if(condition)
 max = MAX;
//效果:max=1000;;(err)
else
 max = 0;

#define 定义宏

  • 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(defifine macro)

  • 宏的申明方式:
#define name( parament-list ) stuff
注: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
  • 注意:
  1. 参数列表的左括号必须与name紧邻
  2. 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
  • 示例:
#define SQUARE( x ) x * x

SQUARE( 5 );
//效果:5 * 5

宏定义计算弊端

  • 示例:
#define SQUARE(x) x*x
#define DOUBLE(x) (x) + (x)

int a = 5;

printf("%d\n" ,SQUARE( a + 1 ) );
printf("%d\n" ,10 * DOUBLE(a));

//效果:printf ("%d\n",5 + 1 * 5 + 1 );
//效果:printf ("%d\n",10 * (5) + (5));
//输出结果:11 55
  • 结论:

宏定义只是简单的文本替换,由替换产生的表达式并不会按照预想的次序进行求值

  • 最理想的解决方案:
#define SQUARE(x) (x) * (x)
#define DOUBLE(x) ((x) + (x))
注: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

#define 替换规则

  • 程序中扩展#define定义符号和宏时的步骤:
  1. 在调用宏时,首先对参数进行检查,看看是否包含任何由#defifine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#defifine定义的符号。如果是,就重复上述处理过程
  • 注意:
宏参数和 #defifine 定义中可以出现其他 #define 定义的变量,但是对于宏,不能出现递归
当预处理器搜索 #defifine 定义的符号的时候,字符串常量的内容并不被搜索

###

#的作用

  • 作用:
# 把一个宏参数变成对应的字符串

字符串自动连接

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

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第10张图片

字符串作为宏参数

  • 示例1:多种类型数据输出打印
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
printf("the input is "FORMAT"\n", VALUE);
#include
int main()
{
	PRINT("%d", 10);
	PRINT("%lf", 3.14);
	PRINT("%c", 'z');
	PRINT("%s", "hello world");
}

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第11张图片

  •  示例2:多种对象输出打印
#include
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
printf("the input of " #VALUE " is "FORMAT "\n", VALUE);
int main()
{
	int i = 10;
	double d = 3.14;
	char ch = 'z';
	char str[] = "hello world";
	PRINT("%d", i );
	PRINT("%lf", d );
	PRINT("%c", ch );
	PRINT("%s", str );
}
⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第12张图片

注:代码中的#VALUE 会预处理器处理为 "VALUE"

## 的作用

  • 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
  • 示例:
#define ADD_TO_SUM(num, value) \
 sum##num += value;
//效果为sum5+=10;
int main()
{
	int sum5 = 0;
	ADD_TO_SUM(5, 10);
	printf("%d\n", sum5);
}
⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第13张图片
注: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

注:一般很少用,但在阅读源码时很有可能遇到

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
  • 示例:
x+1;//不带副作用 x不改变
x++;//带有副作用 x会改变
#define MAX(a, b) ( (a) > (b) ? (a) : (b) )
//这里宏是替换后才计算
x = 5; y = 8; z = MAX(x++, y++);
printf("x=%d y=%d z=%d\n", x, y, z);

//预处理后:z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));
//(x++) > (y++) 比较时x=5>y=8 比较后x=6 y=9
//返回时y=9 返回后y=10
//输出结果:x=6 y=10 z=9
  • 注意:

对于带副作用的参数,宏体内可能会求值多次,结果难以预料

宏和函数对比

宏通常被应用于执行简单的运算
  • 示例:比较大小
#define MAX(a, b) ((a)>(b)?(a):(b))
  • 对于函数执行该任务:
  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
  2. 函数的参数必须声明为特定的类型(参数类型局限),而宏可以适用于整形、长整型、浮点型等可以用于>来比较的类型(参数类型多样)
  • 对于宏:
  1. 每次使用宏的时候,是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. 宏参数虽与类型无关,但不够严谨
  4. 宏可能会带来运算符优先级的问题,导致容易出现错
  5. 宏有时候可以做函数做不到的事情

示例:宏的参数可以出现类型,而函数做不到

#define MALLOC(num, type)\
 (type *)malloc(num * sizeof(type))

MALLOC(10, int);//类型作为参数(开辟想要类型的空间)
//预处理器替换之后:(int *)malloc(10 * sizeof(int));

注:非常便利,简直是奇效~

宏和函数优劣表

#defifine 定义宏
函数
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
文本替换,更快
存在函数的调用和返回的额外开
销,所以相对慢一些
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
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
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
宏是不方便调试的
函数是可以逐语句调试的
宏是不能递归的
函数是可以递归的

宏和函数命名约定

一般来讲函数的宏的使用语法很相似(语言本身没法区分二者)
  • 约定的命名习惯:
宏名全部大写
函数名不要全部大写

#undef

  • 作用:
用于移除一个宏定义
  • 语法:
#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
  • 示例:
#include
#define M 10
int main()
{
	printf("%d\n", M);
#undef M
	printf("%d\n", M);
	return 0;
}

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第14张图片

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
  • 示例:

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,但是另外一个机器内存大写,我们需要一个数组能够大写)

#include 
int main()
{
    int array [SZ];
    int i = 0;
    for(i = 0; i< SZ; i ++)
   {
        array[i] = i;
   }
    for(i = 0; i< SZ; i ++)
   {
        printf("%d " ,array[i]);
   }
    printf("\n" );
    return 0; 
}
编译指令: gcc - D SZ = 10 programe . c
注:-D后面有无空格效果都一样
  • 图示:

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第15张图片 ⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第16张图片

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)编译或者放弃可以使用条件编译
  • 示例:
调试性的代码,删除可惜,保留又碍事,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; }

条件编译类型

  • 单分支条件编译
#if 常量表达式
 //...
#endif
//常量表达式由预处理器求值
  • 示例:作注释符

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第17张图片

  •  多个分支的条件编译
#if defined(symbol)
#ifdef symbol
#if !defined(symbol)
#ifndef symbol
  • 判断是否被定义
#if defined(symbol)//是否定义
#ifdef symbol

#if !defined(symbol)//是否未定义
#ifndef symbol
  • 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

文件包含

#include 指令可以使另外一个文件被编译
  • 替换方式:
预处理器先删除这条指令,并用包含文件的内容替换
注:这样一个源文件被包含 10 次,那就实际被编译 10

头文件包含方式

本地文件包含

  • 语法:
#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
注:按照自己的安装路径去找
库文件包含
  • 语法:
#include 
  • 查找策略:
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
注: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

嵌套文件包含

在项目文件中会出现文件被重复包含的情形
  • 示例:
⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第18张图片
注:这样最终程序中就会出现两份 comm.h 的内容,造成了文件内容的重复

解决方案

  • 示例1:条件编译
#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
//头文件的内容
#endif   //__TEST_H__

图示:

条件编译前

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第19张图片 

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第20张图片

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第21张图片条件编译后 

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第22张图片 

⭐️ C语言进阶 ⭐️ 程序环境和预处理【~建议收藏~】_第23张图片 

  • 示例2:
#pragma once
//避免头文件的重复引入

你可能感兴趣的