C编译环境和预处理（非常详细，建议收藏）

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。

二、 详解编译+链接

2.1 翻译环境

在C语言中，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 编译本身的几个阶段

符号汇总、符号表、合并段表、符号表的合并和重定位分别是什么？

符号表的合并和重定位相关解析：

1. 符号表合并：当编译多个源文件时，每个源文件都会生成一个独立的符号表。链接器的任务之一是将这些符号表合并成一个全局符号表。合并的过程中，链接器会检查符号表中的每个符号，处理重复定义的符号，并为每个符号分配一个全局唯一的标识符，以便在整个程序中进行引用和访问。

2. 符号重定位：在链接器进行符号表合并后，需要对程序中的符号进行重定位。重定位是将程序中的每个符号引用与其对应的定义进行关联，使得程序在执行时能够正确地访问和使用这些符号。这包括将函数调用与实际的函数定义关联起来，将变量引用与其实际存储位置关联起来等。

3. 地址分配：链接器还负责为程序中的每个变量和函数分配存储地址。根据符号表中的信息，链接器决定将每个符号分配到内存的哪个位置，并生成相应的目标代码或可执行文件。

2.2 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（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。

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三、预处理详解

3.1 预定义符号

在C语言中， 预定义符号如下：（预定义符号都是语言内置的）

符号	含义
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

实例：

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

3.2 #define

3.2.1 #define 定义标识符

语法： #define name stuff
实例：

#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
#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__ )   

• 在define定义标识符的时候, 不要在最后加 ;

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。
 
比如：

\#define SQUARE( x ) x * x
这个宏接收一个参数 x .如果在上述声明之后，你把SQUARE( 5 );置于程序中
预处理器就会用下面这个表达式替换上面的表达式：5 * 5

这个宏存在一个问题：

观察下面的代码段：int a = 5; printf("%d\n" ,SQUARE( a + 1) );
乍一看，你可能觉得这段代码将打印36这个值。事实上，它将打印11。为什么呢？
替换文本时，参数x被替换成a + 1,所以这条语句实际上变成了printf ("%d\n",a + 1 * a + 1 );
这样就比较清晰了，由替换产生的表达式并没有按照预想的次序进行求值。

所以对数值表达式进行求值的宏定义，为了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，一般会加上括号。
比如：#define SQUARE( x ) ( (x) * (x) )

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。

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：char* p = "hello ""bit\n"; printf("hello"" bit\n"); printf("%s", p);
虽然这种写法少见，但的确是被允许的，结果为：hello bit ？（我们发现字符串是有自动连接的特点的）

那我们是不是可以写这样的代码？：

#define PRINT(FORMAT, VALUE)\printf("the value is "FORMAT"\n", VALUE);
...
PRINT("%d", 10);

这里只有当字符串作为宏参数的时候才可以把字符串放在字符串中。

1. 另外一个技巧是：
   使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串。比如：

int i = 10;
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\printf("the value of " #VALUE "is "FORMAT "\n", VALUE);
...
PRINT("%d", i+3);//产生了什么效果？

代码中的 #VALUE 会预处理器处理为：“VALUE” .
最终的输出的结果应该是：the value of i+3 is 13

##的作用

##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。

#define ADD_TO_SUM(num, value) sum##num += value;
...
ADD_TO_SUM(5, 10);//作用是：给sum5增加10

3.2.5 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

四、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))
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。宏和类型无关的。

宏的缺点：当然和函数相比宏也有劣势的地方：

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。

#define MALLOC(num, type)\(type *)malloc(num * sizeof(type))
...//使用MALLOC(10, int);//类型作为参数//预处理器替换之后：(int *)malloc(10 * sizeof(int));

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

五、 #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。

六、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。）

#include <stdio.h>
int main()
{int array [ARRAY_SIZE];    int i = 0;    for(i = 0; i< ARRAY_SIZE; i ++)   {        array[i] = i;}for(i = 0; i< ARRAY_SIZE; i ++){printf("%d " ,array[i]);}printf("\n" );return 0;
}

编译指令：//linux 环境演示 gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

七、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：

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。

#include <stdio.h>
#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;
}

常见的条件编译指令：

1.
#if 常量表达式 //...
#endif
//常量表达式由预处理器求值。如：
#define __DEBUG__ 
#if __DEBUG__//..
#endif2.多个分支的条件编译
#if 常量表达式 //...
#elif 常量表达式 //...
#else//...
#endif3.判断是否被定义
#if defined(symbol)
#ifdef symbol
#if !defined(symbol)
#ifndef symbol4.嵌套指令
#if defined(OS_UNIX)#ifdef OPTION1unix_version_option1();#endif#ifdef OPTION2unix_version_option2();#endif
#elif defined(OS_MSDOS)#ifdef OPTION2msdos_version_option2();#endif
#endif

八、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。
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。

8.1 头文件被包含的方式

• 本地文件包含。如：#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。如：#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。

这也说明了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。

8.2 嵌套文件包含

下面是一张嵌套文件示意图。（程序最终出现了两份comm.h内容）

如何解决呢？这就要用到条件编译了！
 

1. 每个头文件的开头写：

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

2. 方法2：

#pragma once

这样就可以避免头文件的重复引入了。