C语言中程序环境和预处理的详细图文讲解

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。

2. 详解编译+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 

编译分为三步骤（如下图所示） 

2.2 编译本身也分为几个阶段

1. 预处理： 选项 gcc - E test.c - o test.i
    预处理完成之后就停下来，预处理之后产生的结果都放在 test.i 文件中。
2. 编译 ：选项 gcc - S test.c
    编译完成之后就停下来，结果保存在 test.s 中。
3. 汇编 ： gcc - c test.c
    汇编完成之后就停下来，结果保存在 test.o 中

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。

3. 预处理详解

3.1 预定义符号

__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

举个栗子：这些预定义符号都是内置的

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

这两个预定义符号会在屏幕打印出源文件路径，和该代码在哪一行 

3.2 #define

3.2.1 #define 定义标识符

提问： 在define定义标识符的时候，要不要在最后加上 ; ? 比如：

#define MAX 1000;
#define MAX 1000

建议不要加上 ; ,这样容易导致问题。

比如下面的场景：

if(condition)
 max = MAX;
 else
 max = 0;

 这里会出现语法错误。

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。

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。

警告： 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) );

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。
在宏定义上加上两个括号，这个问题便轻松的解决了

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。

• 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。
• 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。
• 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);

这里输出的是不是

hello bit ？

答案是确定的：是。

我们发现字符串是有自动连接的特点的。

1.使用 # ， 把一个宏参数变成对应的字符串

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

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.

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。

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。 例如：

x + 1 ; // 不带副作用
x ++ ; // 带有副作用

MAX宏可以证明具有副作用的参数所引起的问题。  

#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？

这里我们得知道预处理器处理之后的结果是什么：

z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));  

所以输出的结果是：

x=6 y=10 z=9 

3.2.6 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。

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一个程序的不同版本的时候，这个特性有点用处。（假如某个 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。

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 OPTION1
 unix_version_option1();
 #endif
 #ifdef OPTION2
 unix_version_option2();
 #endif
#elif defined(OS_MSDOS)
 #ifdef OPTION2
 msdos_version_option2();
 #endif
#endif

注：这里#undef是取消#define的定义 

 #ifdef 是判断有没有进行宏定义，如果没有定义则就不执行#ifdef里面的语句，#ifdef和#endif是配套使用的

总结