C语言进阶——程序环境和预处理

目录

一、程序的翻译环境和执行环境

二、详解：编译+链接

1、翻译环境

2、运行环境

三、预编译详解

1、预定义符号

2、#define

（1）#define定义标识符

（2）#define定义宏

（3）#define替换规则

（4）#和##

（5）带副作用的宏参数

（6）宏和函数对比

3、#undef

4、命令行定义

5、条件编译

常见的条件编译指令

6、文件包含

（1）头文件被包含的方式

（2）嵌套文件包含

四、其他预处理指令

---

一、程序的翻译环境和执行环境

在ANSIC的任何一种实现中，存在两个不同的环境

●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

●执行环境，用于实际 执行代码

二、详解：编译+链接

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

2、运行环境

程序执行的过程：

●程序必须在载入内存中。在有操作系统的环境中：一般这个由操作系统来完成。在独立的环境中，程序的载入必须由手工安装，也可能是通过可执行代码置入只读内存来完成。

●程序的执行便开始。接着便调用main函数。

●开始执行程序代码。这个时候程序将使用一个运行的堆栈，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内存，存储于静态内存中的变量在程序的整个执行过程中一直保留它们的值。

●终止程序。正常终止main函数，也有可能是意外停止。

三、预编译详解

1、预定义符号

_FILE_          //进行编译的源文件

_LINE_         //文件当前的行号

_DATA_        //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ANSIC，其值为1，否则未定义

2、#define

（1）#define定义标识符

语法：#define name stuff（不需要加上分号）

 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(;;)
#define CASE break;case//在写case语句的时候自动把break写上
#define DEBUG_PRINT print("file:%s\tline:%d\t \
                           data:%s\ttime:%s\n", \
                           __FILE__,__LINE__, \
                           __DATA__,__TIME__)
//如果定义的stuff过长，可以分成几行写，除了最后一行外，每行的后面都加上一个反斜杠(续航符)

（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)

语法：#define name(parament-list) stuff

●parament-list是一个由逗号隔开的符号表，他们可能出现在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

（3）#define替换规则

在程序中扩展#define定义符号和宏的步骤：

●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，他们首先被替换。

●替换文本随后被插入到程序中原来文本的位置。对于宏，参数名被它们的值替换。

●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：

●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。

●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能被搜索。

（4）#和##

#：把参数插入到字符串中

宏：把参数替换到文本中

#：把一个宏参数变成对应的字符串

##：把位于符号两边的符号合成一个符号

 例：

//#
#define PRINT(X) printf("the value of "#X" is %d\n",X)
int main()
{
    int a=10;
    PRINT(a);//the value of a is 10
    int b=20;
    PRINT(b);//the value of b is 20
    int c=30;
    PRINT(c);//the value of c is 30
    return 0;
}
//##
#define CAT(X,Y) X##Y
int main()
{
    int class101=100;
    printf("%d\n",CAT(class,101)); //100
    return 0;
}

（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，那么在使用这个宏时就会出现危险，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：

#define MAX(a,b) ((a)>(b)?(a):(b))
...
x=5;
y=8;
z=MAX(x++,y++);//z=((x++)>(y++)?(x++):(y++))
printf("x=%d y=%d z=%d\n",x,y,z);//x=6 y=10 z=9

（6）宏和函数对比

宏通常被应用于执行简单的运算。

如：在两个数中找出较大的一个：#define MAX(a，b) ((a)>(b)?(a):(b))

那么为什么不用函数来完成这个任务呢？

A. 宏的优点：

●用于调用函数和从函数返回的代码可能被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

●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，这个宏怎可以适应于整型、长整型、浮点型等可以用于>来比较的类型。宏是类型无关的。

B. 宏的缺点：

●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

●宏是没法调试的

●宏由于类型无关，也就不够严谨

●宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程序容易出现错

C. 宏和函数的一个对比

属性	#define定义宏	函数
执行 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，即使它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

D. 命名约定

我们平时的习惯是，宏名全部大写，函数名不要全部大写

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。

4、命令行定义

许多C编译器允许在命令行中定义符号，用于启动编译过程。当我们需要根据同一个源文件编译出同一个程序的不同版本时，可以用到命令行定义。现在用的比较少。

例：某个程序中声明了一个数组，如果机器内存有限，我们需要一个很小的数组，但是另外一个机器大些，我们需要一个更大的数组。

#include<stdio.h>
int main()
{
    int arrat[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：

gcc -D ARRAY_SIZE=10 program.c

5、条件编译

在编译一个程序时，我们如果要将一条语句编译或放弃时，可以用到条件编译语句。比如，对于调试性的代码，删除可惜保留又碍事，所以我们可以选择性的编译。

例：

#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]);
        #endif //__DEBUG__
    }
    return 0;
}

常见的条件编译指令

1、

#if  常量表达式
     //...
#endif

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

6、文件包含

（1）头文件被包含的方式

●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。

●Linux环境的标准头文件的路径

/usr/include

●VS环境的标准头文件的路径

C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 12.0\vc\include

●库文件包含

#include<filename.h>

查找头文件直接去标准路径下查找，如果找不到就提示错误。

理论上说，对于库文件也可以用""的形式包含，但是这样做查找效率就低一些，也不容易区分是库文件还是本地文件了。

（2）嵌套文件包含

解决文件内容重复的方法：条件编译。

在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，被多次包含。

四、其他预处理指令

预处理名称	意义
#error	编译程序时，只要遇到#error就会生成一个编译错误提示信息，并停止编译
#line	改变当前行数和文件名称，它们是在编译程序中预先定义的标识符命令的基本格式：#line number["filename"]
#pragma	它允许向编译程序传送各种指令，支持对程序执行的跟踪。

---

至此，C语言精通的所有课程已经全部结束了。谢谢大家看完！