程序环境和预处理

一、程序的翻译环境和执行环境

在ANSI C (C标准库) 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的。

二、编译+链接

2.1 翻译环境

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

2.2.1 预处理

预处理主要做三件事：
1、头文件展开。
2、去注释。
3、宏替换。
生成一个test.i文件。
(test.c --》test.i)

2.2.2 编译

编译主要对代码做五件事：
1、语法分析。
2、词法分析。
3、语义分析。
4、符号汇总。
5、把test.i中的源代码翻译成汇编代码,生成test.s文件
（test.i --》test.s）

2.2.3 汇编

汇编主要做两件事：
1、把test.s文件中的汇编代码转换成能让计算机所识别的二进制的机器码，生成test.o文件（test.s --》test.o）
2、利用编译环节汇总的符号形成一张符号表，符号表里面包含着各种各样的对应关系。(例如：符号表里面保存着函数的地址，等到真正调用函数的时候可以通过符号表找到该函数的定义)

2.3 链接

1、合并段表。
2、符号表合并和符号表的重定位。

2.4 结果

源文件test.c经过编译+链接最终形成一个可执行程序(.exe文件)

三、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），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。

四、预处理详解

4.1 #define

4.1.1 #define定义标识符

例如：

#define A 10;//不推荐后面加上";"，容易出现错误
#define A 10 //推荐

4.1.2 #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）。

#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。
用于对数值表达式进行求值的宏定义都应该把每一个独立的个体加上括号，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。

4.1.3 #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：
4. 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。
5. 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。

4.1.4 #和##

printf("hello" "world\n");//打印的结果是hello world，因为两个相邻的字符串具有自动连接属性

使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串。

例如：

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？
//#VALUE被替换成VALUE，即i+3
//打印的结果是the value of i+3 is 13

##的作用：
##可以把位于它两边的符号（不是字符串）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。
例如：

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

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。

4.1.5 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。
（因为宏是直接替换到代码中的，x++替换到代码中会继续计算的）
例如：

x+1;//不带副作用
x++;//带有副作用

例如：

#define MAX(a, b) ( (a) > (b) ? (a) : (b) )
...
x = 5;
y = 8;
z = MAX(x++, y++);
printf("x=%d y=%d z=%d\n", x, y, z);//输出的结果是什么？//替换后的结果是：
z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));
//得到的结果是：
x=6 y=10 z=9

4.1.6 宏和函数对比

如果是执行简单的运算，一般使用宏而非函数
原因：
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。宏与类型无关的。
3、使用函数需要建立函数栈帧，消耗太大。

宏的缺点：
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，导致程序容易出现错。

但是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。

4.1.7 命名约定

宏的命名一般是使用全大写的。

4.2 #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。

4.3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下）//gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c
}

4.4 条件编译

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__ 1
#if __DEBUG__
//..
#endif
2.多个分支的条件编译
#if 常量表达式
//...
#elif 常量表达式
//...
#else
//...
#endif
3.判断是否被定义
#if defined(symbol)
#ifdef symbol
#if !defined(symbol)
#ifndef symbol
4.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

4.5 头文件包含

例如：#include <stdio.h>头文件包含，在编译的时候是把stdio.h的整个头文件展开,替换掉 #include <stdio.h> 这一句代码。

4.5.1 头文件的包含方式

#include <filename.h> : 直接到C标准库里面找这个头文件。
#include “filename.h” : 先在当前目录下找该头文件，如果找不到就去C标准库里面找该头文件。

4.5.2 解决头文件重复包含问题

因为包含头文件在实际运行程序的时候是把头文件的内容都拷贝到当前源文件的，如果头文件重复包含多次，那么这段头文件的代码就会被重复拷贝多份到当前源文件中，为了解决头文件被重复包含，可以在 .h文件中首行加上：
#pragma once
这样在编译时编译器识别到一个头文件已经被包含过一次之后就不会被重复包含了。本质也是条件编译。