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前言

程序的翻译环境和执行环境

程序的翻译环境

预编译

编译

汇编

链接

程序的执行环境

程序的预处理

预定义符号

#define

       #define定义标识符

       #define定义宏

       #define替换规则

注意

宏操作符#和##

带副作用的宏参数

宏和函数的对比

命名约定

#undef

命令行定义

条件编译

        常见的条件编译指令

        嵌套指令

文件包含

前言

在我们之前学习的过程中我们会有一句口头禅：编译-链接-运行。也就是说.c的文件需要经过编译链接之后，最后才能变成一个.exe的可执行程序。本篇文章主要研究的是test.c的源文件是怎样一步步变成一个test.exe的可执行程序的。

程序的翻译环境和执行环境

在ANSIC的任何一种实现中，都存在两个不同的环境。

第一种是翻译环境，在这个环境下种源代码被转换为可执行的机器指令

第二种是执行环境，它用于实际执行代码

下面用一张图来简单介绍一下翻译环境与运行环境

程序的翻译环境

程序的编译过程大致如下图

组成一个程序的每一个源文件都会单独经过编译器处理生成对应的.obj的目标文件

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函数库种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

编译器是一个用来编译代码的工具，在VS下它的编译器是cl.exe的一个可执行程序。链接器是用来链接所有目标文件的工具，在VS中它的链接器是link.exe的可执行程序。

如果想观察程序整个编译过程的具体细节的话，在VS这个集成开发环境下不便展示，我们可以在Linux环境下的gcc编译器来观察。

下面我们就用加法函数来做演示，分别放在test.c与add.c两个头文件中

//1.add.c
int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}



//2.test.c
#include<stdio.h>
//声明函数
extern int Add(int x, int y);
int main()
{
	int x = 10;
	int y = 20;
	int ret = 0;
	ret = Add(x, y);
	printf("ret = %d\n", ret);
	return 0;
}

预编译

在Linux系统中我们通过vim编辑器编写完test.c文件的代码后，输入gcc test.c -E指令就可以将代码预编译的结果打印到屏幕上，还可以用gcc test.c -E -o test.i或者gcc test.c -E > test.i指令将预编译的结果输出到test.i文件中去。

像#include,#define,#pragma pack这些都被称为预处理指令，这些预处理指令涉及的所有动作都是在预编译阶段完成的 

从上面两张图我们可以看出预编译阶段的动作有：

1.头文件的包含

2.#define定义符号的替换

3.删除注释

这些动作都是文本操作

编译

对预编译产生的test.i文件输入gcc test.i -S的指令进行编译，就会生成一个汇编代码的test.s的文件

因此我们就知道了编译阶段是将C语言代码转换为汇编代码，这是一个整体现象。实际上会发生以下四个动作：

1.词法分析

2.语法分析

3.语义分析

4.符号汇总 

符号汇总，汇总的都是全局符号，比如add.c文件中的函数名Add，test.c文件中的Add和main,而局部符号是不进行汇总的。

汇编

对编译好的test.s文件，输入gcc test.s -c指令将编译结束产生的汇编代码转化成了二进制指令（机器指令）存入到了二进制文件test.o（类似于windos下的.obj文件)中

在我们汇编阶段会形成符号表，这是因为机器在调用指令时需要知道其存放的位置，所谓符号表大概就是符号和其地址的集合。比如：

链接

链接会将二进制指令目标文件test.o等链接在一起形成可执行的程序test.out。在Linux系统下，test.o的二进制文件是以elf的格式来组织文件的。在Linux平台下我们可以用readelf翻译并查看它的内容

链接阶段有以下两个动作：

1.合并段表

就是将对应的段合并起来

2.符号表的合并和重定位 

符号表的合并，就是将各自的符号表合并到一起，比如说：test.o中Add的无效地址，需把add.o中Add的地址与之合并再重新定位到变量的真实地址，这样才是有意义的。

总结：因此我们前面编译期间的符号汇总，到汇编阶段的形成符号表，再到链接时的合并段表和符号表的合并和重新定位，都是为了最后生成可执行程序时能够找到并链接各个源文件文件中的符号（全局变量或者函数）

这个就很好解决了我们以前刚开始学习时的一个困惑：那如果我们写多个文件的时候，文件中都有代码，这些代码是如何交互在一起的呢？

程序的执行环境

程序的执行过程：

1.程序必须载入内存，在有的操作系统中：一般这个由操作系统完成。在独立的环境中，程序的载入由手工安排，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。

如果大家觉得对上面的内容特别感兴趣的话，我在这里给大家推荐一本书《程序员的自我修养》

程序的预处理

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ANSIC，其值为1，否则未定义

这些预定义符号都是语言内置的，举个例子：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("%s\n", __FILE__);
	printf("%d\n", __LINE__);
	printf("%s\n", __TIME__);
	printf("%s\n", __DATE__);
	//printf("%d\n",__STDC__);//因为VS不支持ANSI C，其实__STDC__未定义
	return 0;
}

#define

       #define定义标识符

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
#define MAX 100

int main()
{
	int m = MAX;
	printf("%d\n", m);
	return 0;
}

 #define定义的符号在预编译期间就会完成替换，比如上面的MAX在预编译期间就会被替换100。

那么接下来就有个问题：

在define定义标识符的时候，要不要在最后加上;?

比如说：

#define MAX 1000;
#define MAX 1000

建议不要加上;，这样容易导致问题，比如说：

int main()
{
	int a = 3;
	int b = 20;
	if (a == 4)
		b = MAX;//这里MAX会被替换成100;
	else
		b = -a;
	return 0;
}

这里的MAX会被替换成100; b=MAX；是一条语句，;是条空语句，如果是两条语句放在if语句的后面没有大括号的话是会出问题的。

因此建议最好不要加

       #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）或者定义宏（define macro）

下面是宏的声明方式：

#define name（parament-list）stuff其中的parament-list是一个由都好隔开的符号表，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。

比如：

#define SQUARE(X) X*X

//SQUARE是宏名

//(X)是参数

//X*X是宏的内容

这个宏接收一个参数X，如果在上述声明之后，你把

SQUARE(5);

置于程序中，预处理器就会用下面这个表达式替换上面的表达式

5 * 5

#include<stdio.h>

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

 警告：这个宏存在一个问题，观察下面的代码段

#include<stdio.h>

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

大家认为这个代码打印的结果会是什么呢？36？事实上，它的打印结果是11，为什么呢？

替换文本时，参数X被替换成a+1,所以printf这条语句最后会变成：printf("%d\n",a+1*a+1);

因此打印的结果会是11，那么我们有没有什么办法可以让它的打印结果变成我们的预期结果呢？有的，给X分别加上一个括号。

#include<stdio.h>

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

经过这样子处理之后，打印的结果就是我们预期的结果了。那么在X两边分别加上一个（）就能保住万无一失了嘛？答案是否定的，接下来我们再来看一段代码

#include<stdio.h>
#define DOUBLE(X) (X)+(X)
int main()
{
	int ret = 10 * DOUBLE(2);
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

你认为这段代码的打印结果是什么呢？40嘛还是什么？其实打印到结果是22.为什么呢？

替换文本时，参数X被替换成2,所以printf这条语句最后会变成：printf("%d\n",10*(2)+(2));

因此打印的结果是22

为什么会出现这样的问题呢？

这是因为乘法运算先于宏定义的加法，所以才会出现这个结果

同样的我们怎么样处理才能得到我们的预期效果呢？

#include<stdio.h>
#define DOUBLE(X) ((X)+(X))
int main()
{
	int ret = 10 * DOUBLE(2);
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

我们可以看到一个小小的改变，打印出来的结果就完全不一样。

 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。

在介绍下面的内容前我们先来讲一下#define与typedef在定义类型时的区别

#define INT int

typedef int int_t;
//int_t 就是类型

int main()
{
	INT a;//int a;
	int_t b;
}

#define定义任意符号都可以，而typedef是对类型的重命名。

#define定义的INT是一个标识符，它在预处理阶段会被替换成int。而typedef定义的int_t是个类型。并且#define定义的时候后面最后不要加； 而typedef定义的时候后面记得一定要加；

我们来通过下面的代码来举例子吧

#define ptr_t int*
typedef int* ptr_t2;
int main()
{
	ptr_t p1, p2;
	//预处理后替换为
	int *p1, *p2;//p1是指针，p2是整型的

	ptr_t2 p3, p4;//p3和p4都是指针类型
}

       #define替换规则

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。

宏操作符#和##

如何把参数插入到字符串中呢？

我们先来看一段代码

int main()
{
	int a = 10;
	printf("the value of a is %d\n", a);

	int b = 20;
	printf("the value of b is %d\n", b);

	int c = 30;
	printf("the value of c is %d\n", c);

	return 0;
}

就如上面的这段代码，我们如何自动将字符串中的a，b，c，替换而不用每次都修改字符串呢？

我们再来看一段代码

printf("Hello world\n");

printf("Hello ""world\n");

这两行代码的打印结果是不是Hello world？

答案是确定的：是

这里我们可以发现字符串是有自动连接的特点的。

那么我们下面就可以这样写来解决自动将字符串中a b c给替换掉的问题

#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;
}

这段代码是如何变成上图打印的结果的呢？首先传参将n替换成a，如何PRINT(a)会被替换成printf("the value of "#a" is %d\n",a)。这里的#a会被替换成字符串a("a",最终替换掉结果就是printf("the value of ""a"" is %d\n",a)

因此#的作用就是将参数插入字符中。

使用#，是把宏参数变成对应的字符串。

##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。

#define CAT(X,Y) X##Y
int main()
{
	int class103 = 100;
	printf("%d\n", CAT(class, 103));//打印的是100
    printf("%d\n",CAT(1,2));//打印的是12
	return 0;

}

带副作用的宏参数 

当宏函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;//不带有副作用
x++;//代有副作用

int main()
{
	int a = 10;
	int b = a + 1;//b得到的是11，a不变
	int b = ++a;//b得到的还是11，但是a变了，这个表达式是有副作用的

	return 0;
}

下面我们用MAX宏来证明具有副作用的参数所引起的问题

#define MAX(X,Y) ((X>(Y))?(X):(Y))

int main()
{
	int a = 5;
	int b = 8;
	int m = MAX(a++, b++);
	printf("%d\n", m);

	return 0;
}

你们认为这段代码的打印结果是什么呢？

8呢 还是9呢 还是说10呢？

打印的结果是：9

 下面来解释一下这个结果是怎么来的

因为这里都是后置++,所以在(a++)>(b++)?判断的时候a++的值是5，b++的值是8，当判断完之后，后面(a++):(b++)的值就分别变成了6与9，将9的值赋给了m因此最后打印的结果是9，但是将b++（9）这个值赋给m后，b就变成了10. 

我们再来看一段代码

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;
}

那么你认为这段代码的打印结果是什么呢？

答案是：m=8 a=6 b=9

 通过上面宏和函数的这两段代码我们可以明白：

宏的参数是不计算直接替换进去的，替换进去后参与运算

函数的参数是计算后再传进去的

宏和函数的对比

宏通常被应用于执行简单的运算，比如上面的代码在两个数中找出较大的一个。同样的函数也能完成这样的任务。那么下面我们来对比一下二者吧。

#define MAX(X,Y) ((X>(Y))?(X):(Y))

宏的优势：

1.函数是需要调用的，调用函数就需要创建函数栈帧，调用完了之后销毁函数栈帧，一系列的准备工作比你实际要完成的任务大得多。因此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。反之宏无类型检查，可以适用于整型、长整型、浮点型等可以用于>来比较的类型。宏是与类型无关的

宏的劣势：

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.宏是在预编译阶段完成的，因此宏是没法调试的

3.宏由于与类型无关，也就不够严谨

4.宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程序容易出现错误

当然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

比如说：

#define MALLOC(num,type) \
	(type*)malloc(num*sizeof(type))
int main()
{
	int *p = MALLOC(100, int);

	/*int *p = (int*)malloc(100 * sizeof(int));*/
	return 0;
}

这里的\是续行符号， \把回车转换成了不是回车的意思。如果宏的内容比较多，你就可以在每一行的末尾加上续行符\ 然后再回车并且把后面的内容放到下一行去。

宏和函数的对比

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：

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

比如说下面这段代码：

#define MAX 100
int main()
{
	int m = MAX;
#undef MAX
	int n = MAX;
	return 0;
}

#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。

就像上面的代码这样，我们并未对数组大小SZ进行定义，但是我们可以在编译该源文件的时候添上对SZ的定义：gcc test.c -D SZ=10

根据不同的情况给SZ赋不同的值，这样就会使得同一段代码编译出不同的结果 

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。因我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，所以我们就可以选择性的编译。

那么什么是条件编译指令呢？

条件编译指的是：满足条件的代码就参与编译，不满足条件的代码就不参与编译

        常见的条件编译指令

//1.单分支
int main()
{
#if 1//常量表达式
	printf("hehe\n");

#endif
	return 0;
}

//2.多分支
int main()
{
#if 2==3 //常量表达式
	printf("hehe\n");
#elif 2==2//常量表达式
	printf("haha\n");
#else 
	printf("heihei\n");
#endif
}

//3.判断是否被定义
#define MAX 100
int main()
{
#if defined(MAX)
	printf("hehe:MAX\n");
#endif
#ifdef MAX//和上面#if defined(MAX)是等价的
	printf("hehe:MAX\n");
#endif

#if !defined(MAX)
	printf("hehe:MAX\n");
#endif
#ifndef MAX//和上面#if !defined(MAX)是等价的
#endif
	return 0;
}

这里的#if,#elif,#else与if语句的结构有点类似，#endif用来结束条件编译，语法规定每一个条件编译指令#if都要搭配一个#endif来使用。

#if define(MAX)表示如果前面定义了MAX的话就执行后面的语句，#ifdef是它的简写形式

#if !define(MAX)表示表示如果前面没有定义MAX的话就执行后面的语句，#ifndef是它的简写形式

        嵌套指令

//4.嵌套指令
#define UNIX 50
#define MSDOS 100
int main() {
#if defined(UNIX)
#ifdef OPTION1
	unix_version_option1();
#endif
#ifdef OPTION2
	unix_version_option2();
#endif
#elif defined(MSDOS)
#ifdef OPTION2
	msdos_version_option2();
#endif
#endif
	return 0;
}

这里的嵌套指令和我们if语句的嵌套基本相似，第一个大的条件满足再去判断里面的小条件是否满足，然后再去执行条件后面的内容，第一个大的条件不满足就会去判断第二个大的条件是否满足然后再看第二个大条件里面的小条件是否满足，然后再去执行条件后面的内容。

那么我们上面的条件指令有何作用呢？

我们在下一个内容来为大家介绍

文件包含

#include...也是预处理指令，它用于包含代码所需的头文件，一般来说头文件被包含的方式有两种

1.包含自己定义的头文件（#include"fliename")

2.库文件包含(#include<filename.h>)

他们二者的查找策略有所不同

自己定义的头文件包含的查找策略：首先是在当前工程的目录下查找，如果第一步找不到就去库函数的目录下查找。如果还是找不到就会报错。

而第二中头文件包含的查找策略是：直接去库函数所在目录下查找，找不到就会报错、

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会低很多，当然这样也不容易区分是库文件还是自己定义的头文件

头文件一多就容易出现重复包含，那么怎么来解决这个重复包含的问题呢？

1.通过使用条件编译指令，每个头文件开头写：

#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
//头文件的内容
#endif //_TEST_H__

2.通过使用预处理指令

#pragma once

通过使用以上两种方法就可以避免头文件的重复引用。