学C的第三十四天【程序环境和预处理】

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相关代码gitee自取：

C语言学习日记: 加油努力 (gitee.com)

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接上期：

学C的第三十三天【C语言文件操作】_高高的胖子的博客-CSDN博客

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1 . 程序的翻译环境和执行环境

                 

在ANSI C(C语言标准)的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

               

（1）. 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

                  

计算机能够执行二进制指令，

但我们平常写的C语言代码是文本信息，计算机不能直接执行，

在翻译环境就可以把C语言代码（源代码）翻译为二进制指令（可执行的机器指令）

                     

---

                    

（2）. 执行环境：

                  

在这个环境下可以执行二进制的代码（实际执行代码）

         

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2 . 翻译环境

                        

翻译环境包括 编译 和 链接 ，

编译又包括 预编译(预处理) 、编译、汇编，

                

（1）. 翻译环境下的 编译 和 链接：

                     

• 组成一个程序的每个源文件通过编译过程（各自进行编译）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。

                   

图解：

                     

---

                    

（2）. 编译的几个阶段：

                    

在VS这种集成开发环境下不方便观察编译各阶段细节，

在Linux系统下使用gcc编译器更好观察

                

                

（2.1）. 预编译(预处理) 阶段

                 

生成文件后缀： xxx.i

该阶段会进行一些文本操作

                    

       包括

• 注释的删除
• #include 头文件的包含
• #define 符号的替换
• 所有预处理指令都是在预处理阶段处理的

             

图解：

                  

                  

（2.2）. 编译阶段

                 

生成文件后缀： xxx.s

该阶段会把C语言代码翻译为汇编指令

                      

       包括

• 语法分析
• 词法分析
• 语义分析
• 符号分析

              

图解：

                

                  

（2.3）. 汇编阶段

                 

生成文件后缀： xxx.o  （object目标文件）

该阶段会将编译阶段完成的汇编指令翻译为二进制指令

            

在编译阶段会进行符号汇总，

该阶段则会形成对应的符号表，

以便链接时使用

              

图解：

                   

---

                    

（3）. 链接：

             

对编译生成的目标文件进行操作，

生成可执行程序（也是二进制文件）

                    

       包括

• 合并段表
• 符号表（由编译的汇编阶段形成）的合并和符号表的重定位

              

图解：

         

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3 . 预处理详解

（1）. 预定义符号

                  

C语言中预定义了一些符号，这些预定义符号都是语言内置的：

• __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(C语言标准)，其值为1，否则未定义

               

示例：

                     

---

                    

（2）. #define

                   

（2.1）. #define 定义标识符

                

写法：

#define name stuff

                   

• name -- 定义的标识符名称
• stuff -- 定义的标识符内容

示例：

                      

                      

在define定义标识符的时候，最好不要在最后加上“分号 ;”

因为有些编译器可能会把“分号；”也当作stuff（标识符的内容）

示例：

                       

               

（2.2）. #define 定义宏

                

写法：

#define name( parament-list ) stuff

                   

• name -- 定义的宏的名称
• parament-list -- 参数列表，参数会替换放到 stuff 中
• stuff -- 定义的宏的内容

               

注意：

定义宏时，

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。

         

示例：

                    

注意：

用于对数值表达式进行求值的宏定义都应该用上图这种方式加上括号，

即对stuff中的各个参数分别加上括号 和 对stuff整体加上括号，

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

（操作符优先级问题）。

                       

               

（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：

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。
   （参数列表中有其它#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。（参数列表替换stuff中的内容）
   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：

• 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。（和函数的区别）
• 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。

                         

示例：

                     

               

（2.4）. # 和 ##

               

# 和 ## 这两个符号只能在宏里面使用

                      

#：

                  
该符号可以把宏的参数以字符串的形式插入到字符串中

                  

示例：

                

##：

               

##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。

             

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。

         

示例：

                       

               

（2.5）. 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：

                       

               

（2.6）. 宏和函数对比

                

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 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

                       

               

（2.7）. 命名约定

                     

一般来讲，函数和宏的使用语法很相似，所以语言本身没法帮我们区分二者。

所以我们从书写上进行区分：

• 宏名全部大写，
• 函数名不要全部大写

                     

---

                    

（3）. #undef

                

这个指令用于移除一个宏定义，移除之后不能再使用

                

写法：

#undef NAMENAME

                   

• NAME  --  要移除的宏的名字

示例：

                     

---

                    

（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

（VS不行，gcc可以）

             

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，这个特性会有点用处。

（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。

这时候就可以用命令行定义灵活调整）

              

示例：

                     

---

                    

（5）. 条件编译

                 

使用条件编译指令可以决定一条（一组）语句是否进行编译，

实现选择性的编译，

条件编译指令如果为真，则编译时内容保留

条件编译指令如果为假，则编译时内容删除

           

           

常见的条件编译指令：

                 

指令一：单个分支的条件编译

                                #if  常量表达式                         //一条（一组）语句...                               #endif                                       //常量表达式由预处理器求值。

示例：

                

                

指令二：多个分支的条件编译

                                #if 常量表达式//...#elif 常量表达式//...#else//...#endif

示例：

                

                

指令三：判断是否被定义的条件编译

                                //如果定义过：#if defined(symbol)  //第一种写法#ifdef symbol        //第二种写法//如果未定义过：#if !defined(symbol) //第一种写法#ifndef symbol       //第二种写法//symbol -- 定义的符号

示例：

                

                

指令四：嵌套指令

               

将上面的三种条件编译组合使用

          

示例：

                     

---

                    

（6）. 文件包含

                        

#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。

这种替换的方式很简单：

预处理器先删除这条指令，并用包含文件的内容替换。

这样一个源文件被包含10次，那就实际被编译10次。

                 

                   

头文件被包含的方式：

            

本地文件包含

写法：

#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。

                 

                   

库文件包含

写法：

#include <filename.h>

               

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。

                 

                   

嵌套文件包含：

                   

如果一个文件有很多头文件，

另一个文件包含了该文件，同时该文件也有头文件，

再有一个文件包含这两个头文件，

那么同一个头文件就有可能重复出现在一个文件中

           

可以使用条件编译来防止头文件重复出现：

                                //每个头文件的开头写：#ifndef __TEST_H__#define __TEST_H__//头文件的内容#endif   //__TEST_H__//或者：#pragma once//头文件的内容

         

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4 . 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：程序载入内存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）（函数栈帧）

，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。