C语言进阶—— 程序环境和预处理 （ 坚持总会有收获！！！）

Posted 2021-09-04 Perceus

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⌛前言⌛

两个多月，二十多篇的的博客，将近十W字的输出，让自己比开始之前对C语言编程有了不同的感悟，因为开学的关系之后应该会持续的更新一些新的内容，进入下一阶段。计划是在进入大二前持续刷题在课余时间学习练习数据结构的知识，保持输入和输出的学习。

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⛲1.程序的翻译环境和执行环境

翻译环境

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⛵2.编译+链接+汇编

**几个概念的理解：

源文件：.c为后缀的文件，比如test.c

目标文件：.obj为后缀的文件，由源文件编译后生成

链接库：库是写好的现有的，成熟的，可以复用的代码。

静态库：是因为在链接阶段，会将汇编生成的目标文件.o与引用到的库一起链接打包到可执行文件中。因此对应的链接方式称为静态链接。

比如：

**整个翻译环境分为两个大的部分：编译 + 链接

编译阶段所需要的编译器，我们可以找到它

链接阶段所需要的链接器，我们也可以找到它

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在编译阶段又可以分为以下3个步骤：

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举例 ：

看代码： sum.c

int g_val = 2016;
void print(const char *str)
{
    printf("%s\\n", str);
}

test.c

#include <stdio.h> int main()
{
    extern void print(char *str); 
    extern int g_val; 
    printf("%d\\n", g_val);
    print("hello  bit.\\n"); 
    return 0;
}

如何查看编译期间的每一步发生了什么呢？

test.c

#include <stdio.h>
int main()
{
    int i = 0; 
    for(i=0; i<10; i++)
    {
    printf("%d ", i);
    }
    return 0;
}

使用linux看详细步骤：

1. 预处理 选项 gcc -E test.c -o test.i 预处理完成之后就停下来，预处理之后产生的结果都放在test.i文件中。

2. 编译 选项gcc -S test.c,编译完成之后就停下来，结果保存在test.s中。

3. 汇编 gcc -c test.c,汇编完成之后就停下来，结果保存在test.o中。

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每个阶段所做的事：

预处理阶段：

编译阶段：

汇编阶段：

链接阶段:

执行环境 / 运行环境:

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⚽3.预处理详解

在预处理阶段，预处理器把程序中的注释全部删除; 对预处理指令进行处理, 如把#include指令指定的头文件(如stdio.h)的内容复制到#include指令处; 对#define指令，进行指定的字符替换(如将程序中的符号常量用指定的字符串代替), 同时删去预处理指令。

预定义符号

__FILE__
//进行编译的源文件 __： 两个下划线
_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

举个栗子：

#include<stdio.h>

int main()
{
    printf("%s\\n", __FILE__);//文件所在位置
    printf("%d\\n", __LINE__);//代码所在行号
    printf("%s\\n", __DATE__);//打印日期 
    printf("%s\\n", __TIME__);//打印时间 

    return 0;
}

实际使用场景举例：创建log日志

#include<stdio.h>

int main()
{
    FILE* pr = fopen("log.txt", "w");
    int i = 0;
    int arr[10] = { 0 };

    for (i = 0; i < 10;i++)
    {
        arr[i] = i;
        fprintf(pr,"flie:%s line:%d date:%s time:%s\\n", __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__);
    }

    return 0;
}

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⚾4.#define

①#define 定义的标识符

语法：

#define name stuff

举个栗子：

#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    )

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②#define定义宏

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下面是宏的申明方式：

#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

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

警告： 这个宏存在一个问题： 观察下面的代码段：

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

乍一看，你可能觉得这段代码将打印36这个值。 事实上，它将打印11. 为什么？

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)

这样预处理之后就产生了预期的效

printf ("%d\\n",(a + 1) * (a + 1) );

这里还有一个宏定义：

#define DOUBLE(x) (x) + (x)

定义中我们使用了括号，想避免之前的问题，但是这个宏可能会出现新的错误。

int a = 5;
printf("%d\\n" ,10 * DOUBLE(a));

这将打印什么值呢？

warning:看上去，好像打印100，但事实上打印的是55. 我们发现替换之后：

printf ("%d\\n",10 * (5) + (5));

乘法运算先于宏定义的加法，所以出现了55

这个问题，的解决办法是在宏定义表达式两边加上一对括号就可以了。

#define DOUBLE( x)  ( ( x ) + ( x ) )

提示：

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#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。

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✊5.#和##作用

1. #的作用

使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串

举个栗子：

#include<stdio.h>
#define PRINT(X) printf("the value of " #X " is %d\\n",X);
int main()
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    int c = 30;
    PRINT(a);
    PRINT(b);
    PRINT(c);

    return 0;
}

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2. ##的作用

举个栗子：

#include<stdio.h>

#define CAT(X,Y) X##Y
int main()
{
    int class2 = 2021;
    printf("%d\\n",CAT(class, 2));//CAT(class,2) 等价于CAT(class2)

    return 0;
}

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⏲6.带副作用的宏参数

什么是副作用：

比如

#include<stdio.h>

int main()
{
    int a = 10;
    int b = a + 1;//不改变a的初始值
    int c = ++a;//导致a的初始值也改变了，这就是副作用

    return 0;
}

MAX宏可以证明具有副作用的参数所引起的问题。

#include<stdio.h>
#define MAX(X,Y) ((X)>(Y))?(X):(Y) 
int main()
{
    int a = 10;
    int b = 11;
    int m = MAX(a++, b++);//((a++)>(b++))?(a++):(b++)
    printf("%d\\n", max);// 12
    printf("%d\\n", a);// 11
    printf("%d\\n", b);// 13

    return 0;
}

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⌚7.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。

//宏
#define MAX(a, b) ((a)>(b)?(a):(b))

//函数
int  Max(int x, int y)
{
    return ((x) > (y) ? x : y);
}

使用宏比较好如果这个情况下

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那为什么不用函数来完成这个任务 ?
原因有二︰

当然和宏相比函数也有劣势的地方︰

属性	#define定义宏	函数
代码长度	每次使用时，宏代码都会被插入到程序中。除了非常小的宏之外，程序的长度会大幅度增长	函数代码只出现于一个地方；每次使用这个函数时，都调用那个地方的同一份代码
执行速度	更快	存在函数的调用和返回的额外开销， 所以相对慢一些
操作符优先级	宏参数的求值是在所有周围表达式的上下文环境里，除非加上括号，否则邻近操作符的优先级可能会产生不可预料的后果，所以建议宏在书写的时候多些括号。	函数参数只在函数调用的时候求值一次，它的结果值传递给函数。表达式的求值结果更容易预测。
带有副作用的参数	参数可能被替换到宏体中的多个位置，所以带有副作用的参数求值可能会产生不可预料的结果。	函数参数只在传参的时候求值一次， 结果更容易控制。
参数类型	宏的参数与类型无关，只要对参数的操作是合法的，它就可以使用于任何参数类型。	函数的参数是与类型有关的，如果参数的类型不同，就需要不同的函数， 即使他们执行的任务是不同的。
调试	宏是不方便调试的	函数是可以逐语句调试的
递归	宏是不能递归的	函数是可以递归的

总结：我们在处理简单、不易错的问题时，使用宏可能比使用函数更有优势，但是宏也有自身的缺点和不适用场景，需要谨慎使用。

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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︰

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✨8.常用宏指令

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。

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①条件编译

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：

比如：

#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;
}

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常见的条件编译指令：

1.单分支的条件编译

#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) 或 #ifdef symbol
//....
#endif

 **********************
#if !defined(symbol) 或 #ifndef symbol
//....
#endif

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

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②文件包含指令

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。

头文件被包含的方式：

• 本地文件包含

#include "fi1ename "

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。 如果找不到就提示编译错误。

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linux环境的标准头文件的路径 :
/ usr / include

VS环境的标准头文件的路径∶
C : \\Program Files(x86)\\Microsoft visua7 studio 9.0\\vc\\include

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• 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。

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这样是不是可以说，对于库文件也可以使用" "的形式包含吗？

答案是肯定的，可以。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。

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嵌套文件包含

如果出现这样的场景︰

comm.h和comm.c是公共模块。 test1.h和test1.c使用了公共模块。 test2.h和test2.c使用了公共模块。 test.h和test.c使用了test1模块和test2模块。 这样最终程序中就会出现两份comm.h的内容。这样就造成了文件内容的重复。

如何解决这个问题 ?

条件编译!! ! ! !

每个头文件的开头写：

#ifndef   TEST_H    
#define   TEST_H    
//头文件的内容...
#endif

或者：

#pragma once

就可以避免头文件的重复引入。

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笔试题举例：

1. 头文件中的 ifndef/define/endif是干什么用的?

2. #include <filename.h> 和 #include "filename.h"有什么区别?

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