目录

• 前言
• 一、程序的翻译环境和执行环境
• • 1.编译的几个阶段：
  • • 预编译
    • 编译
    • 汇编
    • 链接
  • 2.运行环境
• 二、预编译详解
• • 2.1 预定义符号
  • 2.2 #define预处理指令
  • • define 定义标识符
    • define 定义宏
    • define 替换规则
    • #和##
  • 2.3 带副作用的宏参数
  • 2.4 宏和函数对比
  • 宏和函数的对比表
  • 命名约定
  • 2.5 #undef
  • 2.6 命令行定义
  • 2.7 条件编译
  • • 常见的条件编译指令
  • 2.8 文件包含
  • • 2.8.1头文件被包含的方式
    • 2.8.2 嵌套文件包含

前言

程序在从test.c文件（源文件/源代码）变成可执行的test.exe文件,经历了编译、链接阶段，最后经过运行得到结果。程序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。翻译环境又分为编译（又分为预编译、编译、汇编三个阶段）、链接两个过程。
第2种是执行环境，它用于实际执行代码。执行过程包括运行过程。

一、程序的翻译环境和执行环境

程序编译过程如下图所示：

• 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。

1.编译的几个阶段：

预编译

生成test.i文件，只完成预处理（预编译），预处理之后停止。其预处理过程包括：

• 头文件#include的包含。
• #define定义符号的替换。
• 删除注释。

上面三点都是一些文本操作。

编译

生成test.s文件，编译阶段是把c语言代码转换成汇编代码的过程。此阶段主要完成语法分析、语义分析、词法分析、符号汇总等。符号汇总汇总的都是全局的符号。

汇编

生成test.o文件，这个阶段主要是把汇编代码转换成二进制指令（机器指令），此阶段还完成了形成符号表。

链接

此阶段主要完成：

• 合并段表。
• 符号表的合并和重定位。

完成上面几个阶段之后，最终生成a.out的二进制文件。

2.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。有可能正常终止main函数，也有可能是意外终止。

二、预编译详解

2.1 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
这些预定义符号都是语言内置的。

#include <stdio.h>
int main()
{
	//printf("%s\n", __FILE__); //打印出当前文件的绝对路径及名称
	//printf("%d\n", __LINE__);
	//printf("%s\n", __DATE__);
	//printf("%s\n", __TIME__);

	int i = 0;
	int arr[10] = { 0 };
	FILE* pf = fopen("log.txt", "w");
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i;
		fprintf(pf, "file:%s line:%d date:%s time:%s i=%d\n", 
			__FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__, i);
			//打印出文件在执行过程中的相关信息
		printf("%s\n", __FUNCTION__);//打印出文件执行过程中所在的函数名
	}
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

2.2 #define预处理指令

define 定义标识符

#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__ )

在define定义标识符的时候，最好不要在最后加上 ;。

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）。
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。

#define SQUARE(X) X*X
int main()
{
	int ret = SQUARE(5);
	printf("%d\n", ret);//ret = 5*5=25
	return 0;
}

宏是完成替换的，而不是传参的。

#define SQUARE(X) X*X
int main()
{
	int ret = SQUARE(5 + 1);//5+1*5+1 = 11
	printf("%d\n", ret);//11
	return 0;
}

由于乘法运算先于宏定义的加法运算，所以要想实现替换过去的数字本身的运算，就得给它们加上括号。

#define SQUARE(x) (x) + (x)

则代码就变成了下面的这样：

#define SQUARE(X) (X)*(X)
int main()
{
	int ret = SQUARE(5 + 1);//(5+1)*(5+1) = 36
	printf("%d\n", ret);//36
	return 0;
}

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。
我们再来看一个例题：

#define DOUBLE(X) X+X
int main()
{
	int a = 5;
	int ret = 10 * DOUBLE(a);//10*5+5
	printf("%d\n", ret);//55
	return 0;
}

在对宏没有加上括号的时候，执行程序之后我们的到的结果是：55。

#define DOUBLE(X) ((X)+(X))
int main()
{
	int a = 5;
	int ret = 10 * DOUBLE(a);//10*((5)+(5))
	printf("%d\n", ret);//100
	return 0;
}

在对宏加上括号之后，我们得到的结果为：100。所以，我们在使用宏的时候，要适当的添加括号，从而达到想要的效果。

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】：
4. 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。
5. 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##

• 使用 # ，可以把一个宏参数变成对应的字符串（""字符串内容""）。

#define PRINT(X) printf("the value of "#X" is %d\n", X);
int main()
{
	int a = 5;
	int b = 20;
	PRINT(a);
	//printf("the value of ""a"" is %d\n", a);
	PRINT(b);
	//printf("the value of ""b"" is %d\n", b);
	return 0;
}

运行结果如下：

##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。

例：

#define CAT(X,Y) X##Y
int main()
{
	int a99 = 20;
	printf("%d\n", CAT(a, 99));//20
	//printf("%d\n", a##99);
	//printf("%d\n", a99);
	return 0;
}

2.3 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。

#define MAX(X,Y) ((X)>(Y)?(X):(Y))
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 11;
	int max = MAX(a++, b++);//12
	//int max =((a++)>( b++)?(a++):(b++));

	printf("%d\n", max);//12
	printf("%d\n", a);//11
	printf("%d\n", b);//13
	return 0;
}

在上面的程序中，程序执行到int max = MAX(a++, b++);即为：int max =((a++)>( b++)?(a++):(b++));前面的(a++)>( b++)为假，则执行int max = b++;先将b赋值给max,因为b在前面比较的时候已经自加过，所以此时max的值为12，然后b再执行自加运算,最终得到b的值为13。

2.4 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？
其有两个原因：

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。

宏和函数的对比表

命名约定

一般来讲函数和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：
1.把宏名全部大写。
2.函数名不要全部大写。

2.5 #undef

#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

这条指令用于移除一个宏定义。

2.6 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些，我们需要一个数组能够大些。)

#include <stdio.h>
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;
}

在Linux环境下编译指令：

gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

2.7 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：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 BUG
int main()
{
	int arr[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = 0;
#ifdef BUG
		printf("%d ", arr[i]);//为了观察数组是否赋值成功。
#endif
	}
	return 0;
}

在BUG未定义的时候，打印语句不执行，只有在BUG语句被定义的时候，打印语句才会被执行。

常见的条件编译指令

#if 常量表达式
//...
#endif

如果常量表达式为真，则执行下面的语句。如果常量表达式为假，则下面的的语句不会被执行。

int main()
{
	int arr[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = 0;
#if 0  //0为假，下面的语句就不会被执行
		printf("%d ", arr[i]);//为了观察数组是否赋值成功。
#endif
	}
	return 0;
}

2.多个分支的条件编译

#if 常量表达式
//...
#elif 常量表达式
//...
#else
//...
#endif

例：

int main()
{
#if 1==1
	printf("nihao\n"); //打印出这句
#elif 2==1
	printf("haha\n");
#else
		printf("12\n");
#endif
	return 0;
}

3.判断是否被定义

#if defined(symbol)
#ifdef symbol

#if !defined(symbol)
#ifndef symbol

例：

#define DEBUG
int main()
{
#if defined(DEBUG)
//#ifdef DEBUG
	printf("haha\n");
#endif
	return 0;
}

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

2.8 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。

2.8.1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。
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。
对于库文件也可以使用 “” 的形式包含，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。

2.8.2 嵌套文件包含

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。
以上。