第八节、程序的编译

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。（linux后缀**.o** windows后缀**.obj**）

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。

翻译环境本身又分为几个阶段：

• 预编译阶段

gcc -E test.c -o test.i

文本操作

①头文件的包含#include；

②删除注释

③#define定义符号的替换

• 编译

gcc -S test.i

->test.s

把C语言转换成汇编代码

①语法分析

②词法分析

③语义分析

④符号汇总

推荐两本书《编译原理》，《程序员的自我修养》

• 汇编

gcc -c test.s

->test.o

把汇编代码转换成二进制的指令

①形成符号表

• 链接

gcc test.o xxx.o -o test

->test(可执行文件，如果不自定义的化，默认a.out)

生成可执行程序

①合并段表

②符号表的合并和符号表的重定位

多个目标文件进行链接的时候会通过符号表来查看来自外部的符号是否存在

2.2 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。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

3.预处理详解

3.1 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，可以直接用。

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

3.2 #define

#define 定义标识符

/* example */
#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__ )

注意：在define定义标识符时，不要在后面加上 ;

#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

/* example */
#define SQUARE(x) ((x) * (x))

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

用于对数值表达式进行求值的宏定义都应该用加上括号，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。

约定俗成：把宏名全部大写；函数名不要全部大写

#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，参数名被他们的值所替换。

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 。

#和##

• #的作用

①当字符串作为宏参数的时候可以把字符串放在字符串中

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

②使用 # ，可以把一个宏参数变成对应的字符串

#define PRINT(n) printf("the value of "#n" is %d\n",n)
int main(){
    int a = 10;
    PRINT(a);
	return 0 
}

• ##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 ADD_TO_SUM(num, value) sum##num += value;

int main() {
	int sum5 = 10;
	ADD_TO_SUM(5, 10);//作用是：给sum5增加10.
	printf("%d", sum5);
	return 0;
}

带有副作用的宏参数

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。

x+1;//不带副作用
x++;//带有副作用

//证明 具有副作用的参数所引起的问题 的例子
#define MAX(a, b) ( (a) > (b) ? (a) : (b) )
int main() {
	int x = 5;
	int y = 8;
	int z = MAX(x++, y++);
	printf("x=%d y=%d z=%d\n", x, y, z);
	return 0;
}
//x=6 y=10 z=9

3.3 宏和函数的对比

宏通常被应用于执行简单的运算 ，为什么不用函数来执行呢？

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。

宏和函数的对比：

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 <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;
}

编译指令：

//linux 环境演示
gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

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：

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

#include 指令可以使另外一个文件被编译。预处理器会先删除这条指令，并用包含文件的内容替换。

• 本地文件包含

#include "filename"

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。

• 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。 所以对于库文件也可以使用 “ ” 的形式包含（但是这样效率低，也不容易区分本地文件和库文件） 。

• 嵌套文件包含

如果出现了嵌套文件包含，就容易造成文件内容的重复，为了解决这个问题，可以使用条件编译。

在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

4.其他预处理指令

#error
#pragma
#line
...
//内容较多，不做具体介绍，有兴趣可以自己去了解