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C語言中程序環(huán)境和預(yù)處理的詳細(xì)圖文講解

更新時(shí)間：2023年02月16日 09:37:26 作者：平凡的小蘇

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于C語言中程序環(huán)境和預(yù)處理的相關(guān)資料,我們寫的C語言代碼,從運(yùn)行,到在屏幕上生成結(jié)果,經(jīng)歷了比較復(fù)雜的過程,需要的朋友可以參考下

1. 程序的翻譯環(huán)境和執(zhí)行環(huán)境

在 ANSI C 的任何一種實(shí)現(xiàn)中，存在兩個(gè)不同的環(huán)境。

第1種是翻譯環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中源代碼被轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的機(jī)器指令。第2種是執(zhí)行環(huán)境，它用于實(shí)際執(zhí)行代碼。

2. 詳解編譯+鏈接

2.1 翻譯環(huán)境

組成一個(gè)程序的每個(gè)源文件通過編譯過程分別轉(zhuǎn)換成目標(biāo)代碼（object code）。
每個(gè)目標(biāo)文件由鏈接器（linker）捆綁在一起，形成一個(gè)單一而完整的可執(zhí)行程序。
鏈接器同時(shí)也會(huì)引入標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫中任何被該程序所用到的函數(shù)，而且它可以搜索程序員個(gè)人的程序庫，將其需要的函數(shù)也鏈接到程序中

編譯分為三步驟（如下圖所示）

2.2 編譯本身也分為幾個(gè)階段

1. 預(yù)處理：選項(xiàng) gcc - E test.c - o test.i
預(yù)處理完成之后就停下來，預(yù)處理之后產(chǎn)生的結(jié)果都放在 test.i 文件中。
2. 編譯：選項(xiàng) gcc - S test.c
編譯完成之后就停下來，結(jié)果保存在 test.s 中。
3. 匯編： gcc - c test.c
匯編完成之后就停下來，結(jié)果保存在 test.o 中

2.3 運(yùn)行環(huán)境

程序執(zhí)行的過程：

1. 程序必須載入內(nèi)存中。在有操作系統(tǒng)的環(huán)境中：一般這個(gè)由操作系統(tǒng)完成。在獨(dú)立的環(huán)境中，程序的載入必須由手工安排，也可能是通過可執(zhí)行代碼置入只讀內(nèi)存來完成。

2. 程序的執(zhí)行便開始。接著便調(diào)用 main 函數(shù)。

3. 開始執(zhí)行程序代碼。這個(gè)時(shí)候程序?qū)⑹褂靡粋€(gè)運(yùn)行時(shí)堆棧（stack），存儲(chǔ)函數(shù)的局部變量和返回地址。程序同時(shí)也可以使用靜態(tài)（static ）內(nèi)存，存儲(chǔ)于靜態(tài)內(nèi)存中的變量在程序的整個(gè)執(zhí)行過程一直保留他們的值。

4. 終止程序。正常終止 main 函數(shù)；也有可能是意外終止。

3. 預(yù)處理詳解

3.1 預(yù)定義符號(hào)

__FILE__ // 進(jìn)行編譯的源文件
__LINE__ // 文件當(dāng)前的行號(hào)
__DATE__ // 文件被編譯的日期
__TIME__ // 文件被編譯的時(shí)間
__STDC__ // 如果編譯器遵循 ANSI C ，其值為 1 ，否則未定義

舉個(gè)栗子：這些預(yù)定義符號(hào)都是內(nèi)置的

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

這兩個(gè)預(yù)定義符號(hào)會(huì)在屏幕打印出源文件路徑，和該代碼在哪一行

3.2 #define

3.2.1 #define 定義標(biāo)識(shí)符

提問： 在define定義標(biāo)識(shí)符的時(shí)候，要不要在最后加上 ; ? 比如：

#define MAX 1000;
#define MAX 1000

建議不要加上 ; ,這樣容易導(dǎo)致問題。

比如下面的場景：

if(condition)
 max = MAX;
 else
 max = 0;

這里會(huì)出現(xiàn)語法錯(cuò)誤。

3.2.2 #define 定義宏

#define 機(jī)制包括了一個(gè)規(guī)定，允許把參數(shù)替換到文本中，這種實(shí)現(xiàn)通常稱為宏（macro）或定義

宏（define macro）。

下面是宏的申明方式：

#define name( parament - list ) stuff

其中的 parament - list 是一個(gè)由逗號(hào)隔開的符號(hào)表，它們可能出現(xiàn)在 stuff 中。

注意：

參數(shù)列表的左括號(hào)必須與 name 緊鄰。

如果兩者之間有任何空白存在，參數(shù)列表就會(huì)被解釋為 stuff 的一部分。

如：

#define SQUARE( x ) x * x

這個(gè)宏接收一個(gè)參數(shù) x . 如果在上述聲明之后，你把SQUARE( 5 );

置于程序中，預(yù)處理器就會(huì)用下面這個(gè)表達(dá)式替換上面的表達(dá)式。

警告： 這個(gè)宏存在一個(gè)問題：觀察下面的代碼段：

int a = 5;
printf("%d\n" ,SQUARE( a + 1) );

替換文本時(shí)，參數(shù)x被替換成a + 1,所以這條語句實(shí)際上變成了：
printf ("%d\n",a + 1 * a + 1 );
這樣就比較清晰了，由替換產(chǎn)生的表達(dá)式并沒有按照預(yù)想的次序進(jìn)行求值。
在宏定義上加上兩個(gè)括號(hào)，這個(gè)問題便輕松的解決了

3.2.3 #define 替換規(guī)則

在程序中擴(kuò)展 #define 定義符號(hào)和宏時(shí)，需要涉及幾個(gè)步驟。

在調(diào)用宏時(shí)，首先對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢查，看看是否包含任何由#define定義的符號(hào)。如果是，它們首先被替換。
替換文本隨后被插入到程序中原來文本的位置。對(duì)于宏，參數(shù)名被他們的值所替換。
最后，再次對(duì)結(jié)果文件進(jìn)行掃描，看看它是否包含任何由#define定義的符號(hào)。如果是，就重復(fù)上述處理過程。

注意：
1. 宏參數(shù)和 #define 定義中可以出現(xiàn)其他 #define 定義的符號(hào)。但是對(duì)于宏，不能出現(xiàn)遞歸。
2. 當(dāng)預(yù)處理器搜索 #define 定義的符號(hào)的時(shí)候，字符串常量的內(nèi)容并不被搜索。

3.2.4 #和##

如何把參數(shù)插入到字符串中？

首先我們看看這樣的代碼：

char* p = "hello ""bit\n";
printf("hello"" bit\n");
printf("%s", p);

這里輸出的是不是

hello bit ？

答案是確定的：是。

我們發(fā)現(xiàn)字符串是有自動(dòng)連接的特點(diǎn)的。

1.使用 # ， 把一個(gè)宏參數(shù)變成對(duì)應(yīng)的字符串

int i = 10;
#define PRINT(FORMAT, VALUE)\
 printf("the value of " #VALUE "is "FORMAT "\n", VALUE);
...
PRINT("%d", i+3);//產(chǎn)生了什么效果

最終的輸出的結(jié)果應(yīng)該是：

the value of i + 3 is 13

## 的作用

##可以把位于它兩邊的符號(hào)合成一個(gè)符號(hào)。它允許宏定義從分離的文本片段創(chuàng)建標(biāo)識(shí)符。

#define ADD_TO_SUM(num, value) \ sum##num += value;...ADD_TO_SUM(5, 10);//作用是：給sum5增加10.

注：這樣的連接必須產(chǎn)生一個(gè)合法的標(biāo)識(shí)符。否則其結(jié)果就是未定義的。

3.2.5 帶副作用的宏參數(shù)

當(dāng)宏參數(shù)在宏的定義中出現(xiàn)超過一次的時(shí)候，如果參數(shù)帶有副作用，那么你在使用這個(gè)宏的時(shí)候就可能出現(xiàn)危險(xiǎn)，導(dǎo)致不可預(yù)測的后果。副作用就是表達(dá)式求值的時(shí)候出現(xiàn)的永久性效果。例如：

x + 1 ; // 不帶副作用
x ++ ; // 帶有副作用

MAX宏可以證明具有副作用的參數(shù)所引起的問題。

#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 ); // 輸出的結(jié)果是什么？

這里我們得知道預(yù)處理器處理之后的結(jié)果是什么：

z = ( (x++) > (y++) ? (x++) : (y++));

所以輸出的結(jié)果是：

x=6 y=10 z=9

3.2.6 命名約定

一般來講函數(shù)的宏的使用語法很相似。所以語言本身沒法幫我們區(qū)分二者。那我們平時(shí)的一個(gè)習(xí)慣是：

把宏名全部大寫函數(shù)名不要全部大寫

3.3 #undef

這條指令用于移除一個(gè)宏定義。

3.4 命令行定義

許多 C 的編譯器提供了一種能力，允許在命令行中定義符號(hào)。用于啟動(dòng)編譯過程。

例如：當(dāng)我們根據(jù)同一個(gè)源文件要編譯出一個(gè)程序的不同版本的時(shí)候，這個(gè)特性有點(diǎn)用處。（假如某個(gè) 程序中聲明了一個(gè)某個(gè)長度的數(shù)組，如果機(jī)器內(nèi)存有限，我們需要一個(gè)很小的數(shù)組，但是另外一個(gè)機(jī)器內(nèi)存大些，我們需要一個(gè)數(shù)組能夠大些。）

3.5 條件編譯

在編譯一個(gè)程序的時(shí)候我們?nèi)绻獙⒁粭l語句（一組語句）編譯或者放棄是很方便的。因?yàn)槲覀冇袟l件編譯指令。比如說：

調(diào)試性的代碼，刪除可惜，保留又礙事，所以我們可以選擇性的編譯。

常見的條件編譯指令：

1.
#if 常量表達(dá)式
 //...
#endif
//常量表達(dá)式由預(yù)處理器求值。
如：
#define __DEBUG__ 1
#if __DEBUG__
 //..
#endif
2.多個(gè)分支的條件編譯
#if 常量表達(dá)式
 //...
#elif 常量表達(dá)式
 //...
#else
 //...
#endif
3.判斷是否被定義
#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