【C语言：编译、预处理详解】

1.编译

我们都知道，一个程序如果想运行起来要经过编译、链接然后才能生成.exe的文件。

编译⼜可以分解为三个过程：

• 预处理（有些书也叫预编译）、
• 编译
• 汇编

预处理阶段主要处理那些源文件中以#开始的预编译指令。比如：#include，#define，处理的规则如下：

• 删除所有的注释（该步骤在宏替换之前）
• 将所有的 #define 删除，并替换所有的宏定义。
• 处理所有的条件编译指令，如： #if、#elif、#else、#ifdef、#ifndef、#endif 。
• 处理#include 预编译指令，将包含的头文件的内容插⼊到该预编译指令的位置。这个过程是递归进行的，也就是说被包含的头文件也可能包含其他文件。
• 添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等。
• 保留所有的#pragma的编译器指令，编译器后续会使⽤。

经过预处理后的.i⽂件中不再包含宏定义，因为宏已经被展开。并且包含的头⽂件都被插⼊到.i文件中。所以当我们无法知道宏定义或者头文件是否包含正确的时候，可以查看预处理后的.i文件来确认。

编译阶段：就是将预处理后的⽂件进行⼀系列的：词法分析、语法分析、语义分析及优化 ，⽣成相应的汇编代码⽂件。
汇编阶段：汇编器将汇编代码转转变成机器可执⾏的指令，每⼀个汇编语句⼏乎都对应⼀条机器指令。就是根据汇编指令和机器指令的对照表⼀⼀的进⾏翻译，也不做指令优化。

2.预处理

C语言提供的预处理功能主要有以下三种：

• 宏定义
• 条件编译
• 文件包含

2.1宏定义

2.1.1预定义符号

C语言设置了⼀些预定义符号，可以直接使⽤，预定义符号也是在预处理期间处理的。

__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，其值为1，否则未定义

2.1.2#define定义常量

1. 基本使用

2. 巧妙使用

3. 续航符

当需要替换的内容过长的时候，可以使用 \ 实现续航。

思考：在#define定义标识符的时候，要不要在最后加上 ;
建议不要加上 ; 这样容易导致问题

如果是加了分号的情况，等替换后，if和else之间就是2条语句，⽽没有⼤括号的时候，if后边只能有⼀条语句 。这⾥会出现语法错误。

2.1.3#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。
宏的声明方式：

#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。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。

对于上述案例，我们可以清楚的看到括号在宏中起着至关重要的作用，为了让表达式的结果是我们想要的结果，要尽量给宏带上括号。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。
要点：宏在使用的时候，只是原样替换，不进行任何的改变。
下面代码的输出结果是什么呢？

#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
int main()
{int x = 5;int y = 8;int z = MAX(x++, y++);printf("x=%d y=%d z=%d\n", x, y, z);return 0;
}

z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));
x-->5-->6
y-->8-->9-->10
z-->9
所以输出的结果是：x=6 y=10 z=9

2.1.4do-while-zero

假如现在我有一个代码，我就想在if后面跟一条用宏定义多条语句的一条语句，我可以怎么做呢？

我们发现这样是可以实现目的，但是有点别扭，而且我们习惯在一条语句后面加分号，所以在预处理后的代码中，就会对应有两个分号。

那到底能怎么处理呢？

这样是不是就可以满足既是一条语句，还能写分号（没有空语句）的目的了。

2.1.5宏的注意事项

1. 源文件的任何地方，宏都可以定义，与是否在函数内外，无关
2. 宏替换的规则

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：

• 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. 宏的作用范围

从定义处开始，往后都有效（没有出现#undef）

出现#undef

思考下面的代码：

2.1.6宏与函数的对比

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时，写成下⾯的宏，更有优势⼀些。

#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、⻓整型、浮点型等可以⽤于 > 来⽐较的类型。宏是类型⽆关的。

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。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define MALLOC(num, type) (type*)malloc((num) * sizeof(type))
int main()
{int* p = (int*)malloc(40);int* q = MALLOC(10, int);//(int*)malloc((10) * sizeof(int))return 0;
}

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	函数的代码只出现在一个地方，每次使用函数时，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，所以相对慢一点
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	函数的参数只在调用时求值一次，结果传递给函数。表达式的求值更容易预测
带有副作用的参数	参数可能被替换到宏体中的多个位置，如果宏的参数被多次计算，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。	函数的参数与类型有关，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

2.2条件编译

一般情况下，源程序中所有行都参加编译。但有时候希望程序中的一部分内容只在满足一定条件时才进行编译，也就是对这一部分内容指定编译的条件，这就是“条件编译”。
条件编译的指令有以下几种形式：

1. #ifdef #else # endif
   它的作用是：若指定的标识符以定义（不管真假），则让程序段1参与编译，否则让程序段2参与编译。
   #endif必须要有，#else可以没有

2. #ifndef #else # endif
   它的作用是：若指定的标识符没有定义，则让程序段1参与编译，否则让程序段2参与编译。这种形式与第一种恰恰相反。

3. #if #else # endif
   它的作用是：判断指定表达式的结果是否为真，为真就执行程序段1；否则执行程序段2.

多分支的条件编译

利用 #if 实现 #indef / #ifndef

2.3文件包含

所谓文件包含，是指一个源文件可以将另一个源文件的全部内容包含进来，即将另外的文件内容包含到本文件之中，插入到当前位置。
C语言有两种文件包含的方式：

• #include< >
• #include" "

这两种方式有什么区别呢?- - - - -二者的查找策略不同

• #include< > :查找头文件直接去标准路径下查找，如果找不到就提⽰编译错误。
• #include" "：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，再去标准路径下查找头⽂件。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？

是的，可以，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文件了。

文件包含就是将指定文件内容包含到本文件之中，插入到当前位置。那如果我将一个头文件重复包含会怎么样呢？

包含几次，就会将所包含文件的代码复制几次，如果工程比较大，有公共使用的头文件，被⼤家都能使用，又不做任何的处理，那么后果真的不堪设想。

如何解决头⽂件被重复引⼊的问题？

答案：条件编译

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

或

#pragma once

3.offsetoff

这个其实是一个宏，它的作用就是返回结构体/共用体成员，在结构体/共用体中的偏移量。

既然我们已经学习了宏，那就来模拟实现以下吧！
我们都知道，偏移量是相较于起始位置的地址，那么是不是就可以将这个起始位置想象为0。
将0强转为一个结构体类型的指针，然后去访问结构体的成员，
取出该成员的地址，这时候该成员的地址是不是就是相较于0地址处的偏移量了呢？
代码如下：

#define MY_OFFSETOF(type,member_name)  (int)&(((type*)0)->member_name)
struct stu
{char c1;int i;char c2;
};
int main()
{struct stu s = { 0 };printf("%d\n", MY_OFFSETOF(struct stu, c1));printf("%d\n", MY_OFFSETOF(struct stu, i));printf("%d\n", MY_OFFSETOF(struct stu, c2));return 0;
}

4.#与##

4.1. #号

平常当我们有⼀个变量 int a = 10; 的时候，我们想打印出： the value of a is 10 是不是会这样写：

这样写是不是不能是字符串中的变量名联动起来，一个变量就得写一条printf，挺麻烦的。
下面了解一下#：

#运算符是将宏的⼀个参数转换为字符串字⾯量。它仅允许出现在带参数的宏的替换列表中。#运算符所执⾏的操作可以理解为”字符串化“。

有了#就可以这样写：

4.2 ##号

##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，## 被称为记号粘合。
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。
右侧为预处理后的结果：