【C语言深度解剖】(17)：预处理和程序环境

news2024/11/16 13:38:02

🤡博客主页：醉竺

🥰本文专栏：《C语言深度解剖》

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目录

1. 程序的翻译环境和执行环境 

2. 详解编译+链接 

2.1 翻译环境 

2.2 编译本身也分为几个阶段： 

2.3 运行环境 

3. 预处理详解 

3.1 预定义符号 

3.2 #define 

3.2.1 #define 定义标识符

3.2.2 #define 定义宏 

2.2.3 #define 替换规则 

3.2.4 # 和 ## 

3.2.5 带副作用的宏参数 

3.2.6 宏和函数对比 

3.2.7 命名约定 

3.3 #undef 

3.4 命令行定义 

3.5 条件编译 

3.6 文件包含 

3.6.1 头文件被包含的方式： 

3.6.2 嵌套文件包含 

4. 其他预处理指令 

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。 

2.2 编译本身也分为几个阶段： 

看代码： sum.c 

int g_val = 2016;
void print(const char* str)
{
	printf("%s\n", str);
}

test.c

#include <stdio.h>
int main()
{
	extern void print(char* str);
	extern int g_val;
	printf("%d\n", g_val);
	print("hello bit.\n");
	return 0;
}

如何查看编译期间的每一步发生了什么呢？

test.c 

#include <stdio.h>
int main()
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", i);
	}
	return 0;
}

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。

注： 介绍一本书《程序员的自我修养》 

3. 预处理详解 

3.1 预定义符号 

这些预定义符号都是语言内置的。 举个栗子： 

printf("file:%s line:%d\n", __FILE__, __LINE__);

3.2 #define 

3.2.1 #define 定义标识符

举个栗子：

提问： 在define定义标识符的时候，要不要在最后加上分号 ‘ ； ’ 

比如： 

#define MAX 1000;
#define MAX 1000

建议不要加上分号 , 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。 

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。 

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));

乍一看，你可能觉得这段代码将打印36这个值。 事实上，它将打印11. 为什么？ 

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： 

#define SQUARE(x) (x) * (x)

这样预处理之后就产生了预期的效果： 

printf ("%d\n",(a + 1) * (a + 1) );

这里还有一个宏定义： 

#define DOUBLE(x) (x) + (x)

定义中我们使用了括号，想避免之前的问题，但是这个宏可能会出现新的错误。 

int a = 5;
printf("%d\n", 10 * DOUBLE(a));

这将打印什么值呢？

warning： 看上去，好像打印100，但事实上打印的是55. 我们发现替换之后： 

printf("%d\n", 10 * (5) + (5));

乘法运算先于宏定义的加法，所以出现了 55，这个问题的解决办法是在宏定义表达式两边加上一对括号就可以了。 

#define DOUBLE( x)   ( ( x ) + ( x ) )

提示： 

所以用于对数值表达式进行求值的宏定义都应该用这种方式加上括号，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。 

2.2.3 #define 替换规则 

  1. 在程序中扩展#define定义符号和宏时，需要涉及几个步骤。 
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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. 那我们是不是可以写这样的代码？： 

#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
    printf("the value is "FORMAT"\n", VALUE);
...
PRINT("%d", 10);

这里只有当字符串作为宏参数的时候才可以把字符串放在字符串中。 

2.另外一个技巧是： 使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串。

#运算符的作用： 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” 

比如： 

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？

代码中的 #VALUE 会预处理器处理为： "VALUE" . 最终的输出的结果应该是： 

the value of i+3 is 13

下面看一下具体的代码实例：

## 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。

## 运算符可以将两个记号（如标识符）“粘合”在一起，成为一个记号。（无需惊讶，##运算符被称为“记号粘合”。）如果其中一个操作数是宏参数，“粘合”会在形式参数被相应的实际参数替换后发生。

考虑下面的宏： 

#define MK_ID（n)  i##n

当MK_ID被调用时（比如 MK_ID（1）），预处理器首先使用实际参数（这个例子中是1）替换形式参数n。接着，预处理器将 i 和 1 合并成为一个记号（i1）。下面的声明使用MK_ID创建了3个标识符：

intMK_ID（1）, MK_ID（2)，MK_ID（3）;

 预处理后这一声明变为：int i1，i2，i3;

例子： 

#define GENERIC_MAX(type)	    \
type type##_max(type x, type y) \
{								\
	return x > y ? x : y;		\
}

注意，宏的定义中是如何将 type 和_max 相连来形成新函数名的。 现在，假如我们需要一个针对 float 值的 max 函数。下面记使用 GENERIC_MAX 宏来定义这一 函数的法： 

GENERIC_MAX(float)

预处理器会将这行展开为下面的代码：

float float_max(float x, float y) ( return x > y ? x : y; }

如果是

GENERIC_MAX(int)

预处理器会将这行展开为下面的代码：

int int_max(int x, int y) ( return x > y ? x : y; } 

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 宏和函数对比 

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。 

#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、长整型、浮点型等可以用于 > 来比较的类型。 

宏是类型无关的。 

宏的缺点：当然和函数相比宏也有劣势的地方： 

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，导致程容易出现错。

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))
...
//使用
MALLOC(10, int);//类型作为参数

//预处理器替换之后：
(int*)malloc(10 * sizeof(int));

宏和函数的一个对比 

3.2.7 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。 

#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。

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。） 

编译指令：

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。

#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]);//为了观察数组是否赋值成功。 
		#endif //__DEBUG__
	}
	return 0;
}

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

3.6 文件包含 

我们已经知道， #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。 

3.6.1 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
//这是VS2013的默认路径

注意按照自己的安装路径去找。

  • 库文件包含 
#include <filename.h>

查找头文件直接去标准路径下去查找，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？

答案是肯定的，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件了。 

3.6.2 嵌套文件包含 

如果出现这样的场景：

comm.h和comm.c是公共模块。

test1.h和test1.c使用了公共模块。

test2.h和test2.c使用了公共模块。

test.h和test.c使用了test1模块和test2模块。

这样最终程序中就会出现两份comm.h的内容。这样就造成了文件内容的重复。 

如何解决这个问题？ 答案：条件编译。 

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。

4. 其他预处理指令 

#error
#pragma
#line
...
不做介绍，自己去了解。
#pragma pack()在结构体部分已介绍。

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