C语言进阶(37) | 程序环境和预处理

目录

1.程序的翻译环境和执行环境

2.详解编译+链接

  2.1 翻译环境

  2.2 编译本身也分为几个阶段:

  2.3 运行环境

3.预处理详解

  3.1预定符号

  3.2 #define

  3.3 #undef

  3.4 命令行定义

  3.5 条件编译

  3.6 文件包含

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了解重点：

• 程序的翻译环境
• 程序的执行环境
• 详解: C语言程序的编译+链接
• 预定义符号介绍
• 预处理指令#define
• 宏和函数的对比
• 预处理操作符#和##的介绍
• 命令定义预处理指令#include
• 预处理指令#undef
• 条件编译

1.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，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。

2.详解编译+链接

  2.1 翻译环境

 

1. 组成一个程序的每一个源文件通过编译过程分别转换成目标文件。
2. 每个目标文件有链接器捆绑在一起，形成一个单一而完整的可执行程序。
3. 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 编译本身也分为几个阶段:

编译			链接
预编译阶段	编译	汇编	链接
1.头文件#include 2.define定义符号、宏替换 3.删除注释	语法分析 词法分析 语义分析 符号汇总	将汇编代码转 换成二进制指令	1.合并段表 2.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:

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。这个时候学将甫注环运待的中k)，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。

3.预处理详解

  3.1预定符号

• __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
举个例子: 

#include<stdio.h>
int main()
{printf("%s\n",__FILE__);printf("%d\n",__LINE__);printf("%s\n",__DATE__);printf("%s\n",__TIME__);return 0;
}

  3.2 #define

        3.2.1 #define 定义标识符

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

        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)。
• 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。

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

        再举例：乍一看，你可能觉得这段代码将打印16这个值
        却打印出来7，为什么呢？

#define SQUARE(x) x*x
int main()
{printf("%d\n",SQUARE(3+1)); //这里不会先计算3+1，而是直接替换printf("%d\n",3+1*3+1);//所以输出7return 0;
}

        所以写成以下代码：

#define SQUARE(x) ((x)*(x))//这里不会先计算3+1，因为添加了括号
int main()
{printf("%d\n",SQUARE(3+1)); printf("%d\n",(3+1)*(3+1));//所以输出16return 0;
}

        3.2.3 #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。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#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定义的变量。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。 

        3.2.4 #和##

        如何把参数插入到字符串中?
        首先我们看看这样的代码:
        写一个宏：要求：
        当输入a时候输出：the value of a is 10
        当输入b时候输出the value of b is 20
        当输入c时候输出 the value of c is 30

#define PRINT(x) printf("the value of "#x" is %d\n",x);
int main()
{int a = 10;PRINT(a);int b = 20;PRINT(b);int c = 30;PRINT(c);return 0;
}

        再完整一点 

#define PRINT(x,format) printf("the value of "#x" is "format"\n",x);
int main()
{int a = 10;PRINT(a,"%d");int b = 20;PRINT(b,"%d");float c = 5.5f;PRINT(c,"%f");return 0;
}

        ##用来拼接字符

#define CAT(x,y) x##y
int main()
{int class101 = 300;printf("%d\n",CAT(class,101));//这里相当于printf("%d\n",class101)；return 0;
}

        3.2.5 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，如果参数带者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。

        x+1;  //不带副作用
        x++;  //带有副作用 

例如:

#define MAX(x,y) ((x)>(y)?(x):(y))
int main()
{int a = 5;int b = 8;int m = MAX(a++,b++);printf("%d %d\n",a,b);  //输出6 10//在宏中发生了变化return 0;	
}

        3.2.6 宏和函数对比

        宏通常被应用于执行简单的运算。比如在两个数中越出较大的一个。

#define MAX(x,y) ((x)>(y)?(x):(y))

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。 

【当然和宏相比函数也有劣势的地方:】
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 。

• 宏有时候可以做函数做不到的事情。比如:宏的参数可以出现类型，但是函数做不到.

 【宏和函数额对比】

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不同的
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

【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
#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

  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些，我们需要一个数组能够大些。)

  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。
• 比如说:
  调试性的代码，删除可惜，保留又碍事，所以我们可以选择性的编译

如下：没有定义PRINT，就不会打印hehe

int main()
{
#ifdef PRINTprintf("hehe\n");
#endifreturn 0;
}

 如下：定义过了PRINT，就会打印hehe

#define PRINT
int main()
{
#ifdef PRINTprintf("hehe\n");
#endifreturn 0;
}

  3.6 文件包含

        3.6.1 文件被包含式:

• 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。
• 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
• 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
  这样是不是可以说，对于库文件也可以使用“”的形式包含?答案是肯定的，可以。
• Linux环境的标准头文件的路径:
  /usr/incIude
• VS环境的标准头文件的路径:
  C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual studio 12.0 \VC\include

        3.6.2 套文件包含 

• 如何解决这个问题?
  答案:条件编译。
  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
  就可以避免头文件的重复引入。

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