参考文章：c语言预处理

程序的翻译环境和执行条件

翻译环境

编译本身也分为几个阶段

预处理

预处理指令

运行环境

程序执行的过程

预处理

预定义符号

#define

#define定义标识符

#define定义宏

宏的申明方式

#define替换规则

#和##

#的作用

##的作用

带副作用的宏参数

宏和函数对比

宏和函数的对比（表格）

命名约定

#undef

命令行的定义

条件编译

常见的编译指令

#if

#if defined / #ifdef / if !defined / #ifndef

文件包含

嵌套文件包含

程序的翻译环境和执行条件

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。

翻译环境

1、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）。

2、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。

3、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

编译本身也分为几个阶段

预处理

预处理是进行源文件编译的第一个阶段（不是所有语言都有预处理过程）

预处理不对源文件进行分析，而是对源文件进行文本操作，如删除源文件中的注释，在源文件中插入包含文件的内容（#include），定义符号并替换源文件中的符号等（#define），通过这些处理，将会得到编译器实际进行分析的文本。

预处理器执行预处理的功能，而编译器往往将预处理器作为编译的第一个步骤，但是用户也可以单独调用预处理器，我们将C预处理器（C preprocessor）简写为 CPP 。

预处理指令

预处理器指令告知预处理器执行特定操作，使用预处理指令的优势常常体现在两个方面：

使程序易于修改；使源程序在不同的执行环境下能够进行恰当的编译。

预处理器语句使用的字符集与源文件语句相同，但是转义序列不受支持。

预处理指令可以识别下列指令：

指令	描述
#include	包含一个源代码文件
#define	定义宏
#undef	取消已定义的宏
#ifdef	如果宏已经定义，则返回真
#ifndef	如果宏没有定义，则返回真
#if	如果给定条件为真，则编译下面代码
#else	#if 的替代方案
#elif	如果前面的 #if 给定条件不为真，当前条件为真，则编译以下代码
#endif	结束一个 #if … #else 条件编译块
#error	当遇到标准错误时，输出错误信息
#pragma	使用标准化方法，向编译器发布特殊的命令到编译器中
#using	将元数据导入程序编译
#line	指令告诉预处理器将编译器内部存储的行号和文件名更改为给定行号和文件名
#	空指令，无任何效果

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。

如果想要更加进一步了解以上相关细节：介绍一本书《程序员的自我修养》

预处理

预定义符号

__FILE__ //进行编译的源文件文件路径（）

__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

我们在这里用VS来测试一下：

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

测试结果：

#define

#define定义标识符

用法：

#define MAX 1000 //MAX 就代表了1000

#define reg           register
#define do_forever    for(;;)
#define CASE break;   case	//为 register这个关键字，创建一个简短的名字
//用更形象的符号来替换一种实现
//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__ )

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 ; 这样容易出现问题。比如一下场景：

#include<stdio.h>
#define MAX 1000;
int mian()
{
	int max = 0;
	if (1)
		max = MAX;
	else
		max = 0;
	return 0;
}

max = MAX;

在预编译阶段，MAX实现宏替换，这一行代码就变成了：max=1000;;

这样就相当于max=1000；是一个语句。；又是一个语句，那么下面的else再上一个语句没有找到if语句就会出错了。

#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（definemacro）。

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

当这个宏接收一个参数 x 。如果在上述声明之后，你把

SQUARE(5);

在预编译之后就会替换成：

5*5；

但是这样定义会出现一个问题，比如：

当这个宏接收一个这样的参数时：

int a=2;

SQUARE(a+1);

原本你以为打印出来的值会是9，但实际上打印的是5。实际上上面的式子被替换成了：

2+1*1+2；

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)

这样处理之后SQUARE(a+1);就被替换成了：

(2+1)*(2+1); //产生了预期结果

还有一种情况：

当宏定义为：

#define ADD(x) (x)+(x)

定义中我们使用了括号，能避免之前的问题，但是这个宏可能会出现新的错误：

int a=2;

printf("%d\n",10 * ADD(a));

原本我们想要的结果为40，但实际上的结果为22。

在预编译阶段，式子被宏替换成了

10*(2)+(2);

为了解决这个问题，我们在宏定义表达式两边加上一对括号就行了：

#define ADD(x) ( (x)+(x) )

这样原式子在预编译阶段就被替换成了：

10*((2)+(2));

这样就能得到预期结果。

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。

#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：
1. 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。
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。

#和##

#的作用

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 ""world\n";
printf("hello"," world\n");
printf("%s", p);

在这里的输出结果将会是：hello world
由此我们发现字符串是有自动连接的特点。

那我们是不是可以这样写代码？

#include<stdio.h>
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
printf("the value is "FORMAT"\n", VALUE);
int main()
{
		PRINT("%d", 10);
	return 0;
}

测试结果：

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。

另外一个技巧是：使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串。

比如：

#include<stdio.h>
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
printf("the value of " #VALUE " is "FORMAT "\n", VALUE);
int main()
{
	int i = 10;
		PRINT("%d", i + 3)
	return 0;
}

测试结果：

在这里来看一个实际的用途：

我们想要实现这样的效果：

这样在屏幕上输出a b的值。

上面的方法可以用宏来进一步改进

#include<stdio.h>
#define PRINT(n) printf("the value of "#n" is %d\n",n);
int main()
{
	int a = 10;
	PRINT(a);
	int b = 20;
	PRINT(b);
	return 0;
}

测试结果：

#n 把传来的a,b当成字符串替换进去。

##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。

#include <stdio.h>

#define CONNECT(a,b)            a##b
#define NAME_1                  "zhangsan"
#define NAME_2                  "lisi"
#define NAME(name)              NAME_##name
int main(int argc, char** argv)
{
    printf("num: %d\r\n", CONNECT(11,12));
    printf("name: %s\r\n", NAME(1));
    printf("name: %s\r\n", NAME(2));

    return 0;
}

结果打印如下：

num: 1112
name: zhangsan
name: lisi

代码第3行宏定义将两个标识符连接，第9行打印如结果第1行所示，将11和12连接起来变成1112；
第10行和第11行，宏展开后，NAME(1)变成NAME_##1，NAME(2)变成NAME_##2，由于##的作用是连接作用，所以NAME(1)就是NAME_1，打印出来就是“zhangsan”；同样NAME(2)就是NAME_2,打印出来就是“lisi”。

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。

首先我们先引入一个例子：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int b = a + 1; //b得到的是11，a没有变
	int c = a++; //c得到的是11，但是a变了，变成11了
	return 0;
}

实际案例：

#include<stdio.h>
//宏的实现
#define MAX(X,Y) ((X)>(Y)?(X):(Y))
int main()
{
	int a = 5;
	int b = 8;
	//宏的参数是不计算的而是直接替换进去的
	//替换之后再进行计算
	int m = MAX(a++, b++);
	printf("m=%d\n", m);
	printf("a=%d\n", a);
	printf("b=%d\n", b);
	return 0;
}

nt m = MAX(a++, b++);

经过宏替换之后变成：int m = ((a++)>(b++)?(a++):(b++));

5++和8++先判断，后者大，接着该进入b++里面。并且此时a,b都被使用过了，则a=6,b=9。

b先被使用，把值赋值给m，m=9,b在这里被用过了，之后b再++变成了10

测试结果：

使用函数定义方法可以解决上面的问题：

#include<stdio.h>
//函数的实现
int Max(int x, int y)
{
	return x > y ? x : y;
}
int main()
{
	int a = 5;
	int b = 8;
	int m = Max(a++, b++);
	printf("m=%d\n", m);
	printf("a=%d\n", a);
	printf("b=%d\n", b);
	return 0;
}

int m = Max(a++, b++);

Max将5，8传过去了，这时候a,b都已经被使用过了，那么就++,a=6,b=9;

再经过函数里的计算，5<8，则，m=8

测试结果：

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。
当然和宏相比函数也有劣势的地方：
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。
举个栗子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define MALLOC(num,type) \
             (type*)malloc(num*sizeof(type))
int main()
{
	int* p = MALLOC(10, int);
	return 0;
}

int* p = MALLOC(10, int);等价于

int*p=(int*)malloc(sizeof(int)*10);

宏和函数的对比（表格）

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

#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。

命令行的定义

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。）

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

#if后面跟的是常量，不能是变量。比如int a=10; 这里a是变量，就不对了。

#if

#include<stdio.h>
int main()
{
#if 1
	printf("haha\n");
#endif
	printf("hehe\n");
	return 0;
}

测试结果：

在这里也可以用来达屏蔽代码的效果：

#include<stdio.h>
int main()
{
#if 0
	printf("haha\n");
	printf("hehe\n");
#endif
	return 0;
}

测试结果：

在这里我们可以看到什么也不打印了。

#if defined / #ifdef / if !defined / #ifndef

测试用例：

#include<stdio.h>
#define MAX 100
#define MIN 0
int main()
{
#if defined(MAX) //被定义时打印
	printf("haha\n");
#endif
 
#ifdef MAX //被定义时打印
	printf("hehe\n");
#endif
 
#if !defined(MIN) //没有被定义时打印
		printf("heihei\n");
#endif
 
#ifndef MIN //没有被定义时打印
	printf("heihei\n"); 
#endif
	return 0;
}

测试结果：