✨博客主页: XIN-XIANG荣
✨系列专栏:【从0到1，C语言学习】
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✨博客说明:尽己所能，把每一篇博客写好，帮助自己熟悉所学知识，也希望自己的这些内容可以帮助到一些在学习路上的伙伴，文章中如果发现错误及不足之处，还望在评论区留言，我们一起交流进步！

文章目录

  • 前言
  • 一. 程序的翻译环境和执行环境
    • 1. 翻译环境
    • 1.1 编译过程的三个阶段
  • 1.2 链接
    • 2. 运行环境
  • 二. 预处理
    • 1. 预定义符号
    • 2. #define
      • 2.1 #define定义的标识符
      • 2.2 #define定义宏
      • 2.3 #define 替换规则
      • 2.4 #和##
        • 2.4.1、#
        • 2.4.2、##
      • 2.5 宏和函数的优缺点对比
      • 2.6 命名约定
    • 3. #undef
    • 4. 命令行定义
    • 5. 条件编译
    • 6. 文件包含
      • 6.1 使用和“ ”文件包含的区别
      • 6.2 防止头文件被重复包含的俩种方法
  • 结语

前言

这篇博客对程序环境进行概述，了解一个C程序在运行前发生了什么，经过了怎样一个过程，相信看了下面的内容，你会对此有一定的理解。

对预处理相关的知识点和需要注意的地方进行了总结。

一. 程序的翻译环境和执行环境

在ANSI C的任何一种实现中，存在俩个不同的环境。

  1. 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。
  2. 第2种是执行环境，它用于实际执行代码

1. 翻译环境

  • 组成一个程序的每个源文件，分别经过编译器的单独处理，生成各自的目标文件
  • 每个目标文件由链接器（linker）捆绑在一起，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，最终形成一个单一而完整的可执行程序。

编译和链接生成可执行程序是整个程序编译的过程，而单拿出编译这个过程来说，其中又包含几个阶段，具体如下：

可在Linux环境下，使用gcc编译器对编译期间的每一步进行观察；

1.1 编译过程的三个阶段

  • 预编译（预处理）

相关指令 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。

主要完成的动作(文本操作)：

  1. 头文件的包含（#include）
  2. #define定义的符号的替换并将宏定义删除
  3. 注释的删除
  • 编译

相关指令 gcc -S test.c

编译完成之后就停下来，结果保存在test.s中。

主要完成的动作：

  1. 将C语言代码转化为汇编代码

其中有四个过程：分别是语法分析、词法分析、语义分析、符号汇总；

而符号汇总这一过程是分别汇总的各个源文件中的全局符号；

另外函数未声明是在编译期间会给出警告或报错。

  • 汇编

相关指令 gcc -c test.c

汇编完成之后就停下来，结果保存在test.o中。

主要完成的动作：

  1. 把汇编代码转化成二进制指令
  2. 把编译期间汇总的符号形成符号表

符号表中的符号名和其地址对应。

1.2 链接

主要完成的动作：

  1. 合并段表
  2. 符号的合并和重定位；也就是在相同的符号中筛选出符号正确的地址

所以如果函数只声明未定义，函数符号在符号表中的地址是没有意义的，通过符号表中的地址无法定位找到函数，会报链接错误！

2. 运行环境

  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。

二. 预处理

1. 预定义符号

这些预定义符号都是语言内置的，是可以直接使用的！

__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

使用实例（可用来记录日志）：

#includeint main(){int i = 0;FILE* pf = fopen("log.txt", "w");if (pf == NULL){perror("fopen");return 1;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("file:%s line=%d date:%s time:%s i=%d\n", __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__, i);fprintf(pf, "file:%s line=%d date:%s time:%s i=%d\n", __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__, i);}fclose(pf);pf = NULL;return 0;}

使用效果：

2. #define

2.1 #define定义的标识符

 语法： #define name stuff
  • 定义标识符时，尽量不要在末尾加分号，容易导致问题。
#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__ )

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
  • 宏的本质是替换， 用于对数值表达式进行求值的宏定义不要吝啬（）的使用， 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。
#define DOUBLE( x)   ( ( x ) + ( x ) )

2.3 #define 替换规则

在程序中使用#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. 对于宏，参数名被他们的值所替换；替换文本随后被插入到程序中原来文本的位置。
  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。

2.4 #和##

2.4.1、#

使用#把一个宏参数变成对应的字符串；

字符串具有自动连接的特点 。

使用实例：

2.4.2、##

##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。

使用实例：

2.5 宏和函数的优缺点对比

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 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

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))#includeint main(){//malloc(40);//malloc(10, int);int*p = MALLOC(10, int);//int* p = (int*)malloc((10) * sizeof(int));return 0;}

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. #undef

这条指令用于移除一个宏定义。

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不同的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 个机器内存大写，我们需要一个数组能够大写。）

#include 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gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

5. 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__//..#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

6. 文件包含

#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。

6.1 使用和“ ”文件包含的区别

  • ：直接去库目录(标准路径)下查找， 如果该头文件未找到 ，提示编译错误。
  • ” ” ：先去代码所在的路径下查找，如果该头文件未找到，再去库目录(标准路径)下查找，如果找不到，提示编译错误。

6.2 防止头文件被重复包含的俩种方法

在头文件中添加如下内容：

//方法一#pragma once//方法二#ifdef __TEXT_H__#define __TEXT_H__///头文件的内容#endif   //__TEST_H__

结语

各位小伙伴，看到这里就是缘分嘛，希望我的这些内容可以给你带来那么一丝丝帮助，可以的话三连支持一下呗！！！ 感谢每一位走到这里的小伙伴，我们可以一起学习交流，一起进步！！！加油！！！