速通C语言第十三站预处理

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速通C语言系列

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速通C语言第十二站文件操作                      http://t.csdnimg.cn/PSxs3

感谢佬们支持！

文章目录

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前言
一、程序的翻译环境和执行环境
二、详解C语言的编译+链接
1 编译环境
2 运行环境
三、预处理详解
1 预处理符号
2 #define定义符号
3 #define定义宏
宏的声明方式
#define替换规则
#和##
带副作用的宏参数
宏和函数的对比
4 命令约定
5 命令行参数
6 条件编译
单分支
多个分支
判断是否被定义
嵌套指令
7 文件包含
嵌套文件包含
8 其他预处理指令
总结

前言

上篇博客带大家看了文件的相关操作，这篇博客将是速通C语言的最后一篇，预处理，相比之前几篇来看这节有些太底层，可能对C语言初学者有些晦涩，大家有个印象即可（但这并不意味着不重要），通过之后的学习中再来看就会轻松很多啦

一、程序的翻译环境和执行环境

在ANSIC（C语言国际标准）的任何实现中，我们写的代码会通过两个环境

翻译环境 ：用于将我们写的代码转换成计算机能识别的可执行的机器指令（二进制序列）

执行环境：用于执行代码

画个简易的图来看是这样的

二、详解C语言的编译+链接

翻译环境分为两个步骤，编译+链接

我们写的.c文件都会单独的经过编译器，得到各自的目标文件（windows下为.obj结尾的文件，Linux下为.o结尾,目标文件有其特定的格式，叫elf格式）

然后链接器会链接一些链接库（比如我们用的库函数所在的库），在和这些目标文件链接生成了.exe的可执行文件（它的格式也是elf格式）。

举个例子，我们建立一个test.c和add.c

写一点代码以后ctrl+F5可以发现，生成了.exe的文件

查看一下代码所在路径，会发现两个.obj的目标文件

编译环境

其中编译又可以分为三步

1 预编译（预处理）

预处理很简单，主要做4个事：删注释；#define定义的宏替换；头文件展开；条件编译

通过这步，我们的.c文件会变为.i文件

2 编译

众所周知，我们的C语言代码得底层是汇编代码，而这一步将通过语法分析，词法分析，

语义汇总，符号汇总等操作将我们的代码转变为汇编代码

通过这步，我们在上一阶段得到的.i文件会变为.s文件

3 汇编

这一步将我们上面得到的汇编代码转变为二进制序列，并生成符号表

通过这步，我们最终得到了那个.o文件

希望这么多复杂的概念没有吓到你，

我们写一波代码看一下，为了方便查看中间文件，我们使用gcc编译器，并使用命令行操作

#include<stdio.h>

#define m 5

//只是一行注释

struct S
{
    char c;
    int a;
};

int main()
{
    struct S s;

    int max=m;
    printf("%d\n",max);

  return 0;
}

第一步预处理，我们用-E选项

gcc -E test.c -o test.i

打开test.i文件，发现它很长

(这里截取部分)，虽然我们别的看不懂，但是我们认识extern void 函数名

（f lockfile,f trylockfile,f unlockfile我们可知是对文件的加锁，尝试加锁及解锁，很多锁诸如互斥锁，读写锁自旋锁等一般都提供lock、trylock、unlock三个函数；听不懂就当我没说哈），

所以这个是函数的声明,所以实际上这一大段是我们展开的头文件stdio.h

然后在最下面，我们找到了我们写的代码

仔细看，我们定义的宏m背替换成了5,而且我们刚刚写的注释也被删掉了

下来要进行编译,用-S选项

gcc -S test.i -o test.s

此时查看这个test.s，发现里面真的是汇编

此时在简单来看看那4个操作（大家有兴趣的话可以看一看一本书叫《编译原理》或者

《程序员的自我修养》）

语法分析是看你有没有语法错误

词法分析是将代码拆成一个个符号的

语义分析是比如看你写的是分支还是循环等等

符号汇总是把全局看到的符号，函数名做一下汇总，将在下一个步骤中起作用

最后一步要用-c选项

gcc -c test.s test.o

由于得到的是二进制相关的内容，我们看不懂

其中，他做了一个事情叫生成符号表，这个事情是和上一阶段的符号汇总有联系的

为了演示何为符号表，我们换个代码,生成其目标文件

#include<stdio.h>


int g_val=2024;

int add(int x,int y)
{
  return x+y;
}

int main()
{
  int x=0;
  int y=10;
  int ret=add(x,y);
    
  return 0;
}

我们想看懂elf格式的目标文件，可以用readelf工具，带上选项-s，就可以显示符号表啦

readelf -s test.o

其中，我们的全局变量和函数都在符号表中

所以，符号汇总就是把我们代码中的函数，全局变量进行汇总

形成符号表就是用其地址和名字形成一个表格，比如下面我画的这个

(此时3个符号都是有效地址。就是说我们能通过地址找到这个符号)

我们再给一波例子

这次我们给两个文件

add.c

int add(int x,int y)
{
    return x+y;
}

test.c

//声明外部符号
extern int add(int x,int y);

int main()
{
  int x=0;
  int y=10;
  int ret=add(x,y);
    
  return 0;
}

由于每个源文件都会单独得到一个目标文件，所以这次我们有两个目标文件

add.o的符号表

test.c的符号表

这个时候就不一样了，由于add函数在test.c只有一个声明，所以它的地址在哪，我不到啊

所以只能给一个无效地址0x000

然后链接阶段会做两个事

1是合并段表

刚才我们说到生成的目标文件是elf格式，所谓elf格式就是文件分为好几段

然后我们的可执行程序.exe也是elf格式，合并段表就是将目标文件中相同的段合并到一起

（常见的段有哪些请参考《程序员的自我修养》第451页）

2是符号表的合并和符号表的重定位

这个时候就用用到我们上面的第二个例子了，两个目标文件都有add的地址，用哪个？

当然是保留有效地址，所以最终的符号表是这样的

（最终就可以找到add函数的地址了）

另外，如果我们删掉add.c中的内容，运行起来就找不到add函数了，就会报所谓链接错误

运行环境

其中，程序的执行分为4步

1 将程序加载至内存中（本质应该是加载至内存的代码段），再操作系统的环境中，这个事情由操作系统做。在独立的环境中，程序的下载必须手工安排。比如单片机

2 程序的执行便开始，接着调用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（每一次函数调用时，都会开辟一块空间，也叫建立函数栈帧），存储函数的局部变量和返回地址，程序内部也可以使用静态内存，存储静态内存的变量在整个运行过程中一直保留他们的值

这里举个例子画个图给大家具体看一下函数栈帧

#include<stdio.h>

int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;

	int ret = add(10, 20);

	return 0;
}

首先，函数所在的栈区具有栈的特性，即FILO（先进后出），main函数比add函数先定义，所以

main函数的地址在下面，a先定义，先入栈，b后定义，b再入栈

下来在定义ret那行调用了add函数，所以建立add的栈帧，并进行传参

当add函数返回时，为他开辟的栈帧就被回收，

最后main函数执行完时，main的空间也回收了。

4 终止程序，main函数可能正常终止，也可能异常终止（比如程序有错误或收到某些信号等，暂时先不用关心）

三、预处理详解

1 预处理符号

指预处理阶段就被处理的已经定义好的这种符号（底层是#define），可以直接用

这些东西在日志中还是非常常用的

__FILE__	进行编译的源文件（绝对路径）
__LINE__	当前所在行号
__DATE__	日期
__TIME__	时间
__FUNCTION__	当前所在函数名
__STDC__	如果编译器支持ANSI C 返回1，否则表示未定义

我们简单的用代码演示一波

int add(int x,int y)
{
printf("%s\n", __FUNCTION__);

return x+y;
}

int main()
{
add(1,2);

	printf("当前所在行号:%d,%s\n",__LINE__,__FUNCTION__);
	printf("所编译的源文件;%s",__FILE__);
	printf("时间:%s 日期:%s\n",__TIME__,__DATE__);
	
	//printf("%d ",__STD__);

return 0;
}

显然，当打印__STDC__时报错为未定义的标识符

所以VS不支持ANSI C

但是gcc是支持的

2 #define定义符号

我们可以用#define定义各种东西

例：

#define m 100
//数字

还可以是关键字

#define m 100
#define reg register

int main()
{
	reg int num=m;
return 0;
}

还可以是一段代码

#define do_forever for(;;)

int main()
{
	//reg int num=m;
	do_forever;

return 0;
}

还有更离谱的

#define CASE break; case
//相当于在写case语句的时候自动带上break

int main()
{
    int n=0;
    switch(n)
    {
        CASE 1:
        CASE 2:
        CASE 3:
    }
}

如果要定义的东西过长，我们可以拆成几行写，除了最后这一行外，每行的后面加一个"\"

称为续行符

例：

#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t\
							date:%s\ttime:%s\n",\
							__FILE__,__LINE__,__DATE__,__TIME__)

现在有这么个问题，#define 的东西能不能加分号？

#define m 100;

int main()
{
	int a=m;

return 0;
}

能是肯定能，因为他底层是替换

显然在替换之后变成了

int a=100;;

但是我们不建议，因为有可能会出错,毕竟你多了一个分号

3 #define定义宏

#define机制包括了一个规定，允许讲参数定义至文本中，这种方式通常称为宏/定义宏

宏的声明方式

# define name(参数列表) 内容

注意这波name必须和参数列表的左括号紧挨，不能有空格

例：

#define SQUARE(X) X*X

void test5()
{
	printf("%d ", SQUARE(3));
}

啊但是

void test5()
{
	printf("%d ", SQUARE(3+1));
}

如果是这样将打印什么呢？会是16吗？

由于宏是直接替换，所以3+1并不会先计算再传参，而是先传参再计算

传上去就变成了 3+1*3+1，结果显然是7，因为乘法优先级高于加法，这显然不合预期

我们加两个括号

#define SQUARE(X) (X)*(X)

总结：由于恶心的优先级问题，我们在定义宏时往往要加很多括号

#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#define定义的符号，如果是，他们首先被替换

2 替换文本随后被插入程序原来文本中的位置。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，看看他是否包含由#define定义的符号，如果是，就重复上述过程

例

#define MAX(X,Y) ((X)>(Y)?(X):(Y))
#define M 100

int main()
{
	int max = MAX(101, M);

	return 0;
}

在这个例子中，M首先被替换成100，然后MAX被替换成我们定义的宏

注意：

1 宏参数和#define定义中可以其他#define定义的常量，但是对于宏，不能递归

就比如在上面的例子中，M就时MAX的参数。

2 当预处理器搜索#define定义符号的时候，字符串常量的内容并不能被搜索

例：

#define M 100

int main()
{
	printf("M=%d\n", M);


	return 0;
}

在这个例子中，printf的第一个参数是const char*也就是字符串类型，所以其中的M并不会被识别到，而后面的M会被识别到

#和##

#和##可以把参数插入字符串中

先补充一点

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

相比第一行，第二行有两个字符串，但是这两个字符串会连接到一起

再例：

int a=10;
//希望打印the value of a is 10
int b=20;
//希望打印the value of b is 20
int c=30;
//希望打印the value of c is 30

这三个的功能是很类似的，所以写三个printf就太冗余了

但是用函数又是不好解决的

我们传参要传a,b,c的值，但是我们不好传字符

所以我们可以试试宏

#define PRINT(X)printf("the value of "X" is "%d",X);

int main()
{
	int a = 10;
	PRINT(a);
	int b = 20;
	PRINT(b);
	int c = 30;
	PRINT(c);


	return 0;
}

但是这么写直接报错了

此时我们需要用到#

#define PRINT(X)printf("the value of "#X" is %d\n",X);

此时#的作用不是替换，#X会变成这个参数名a对应的字符串，达到了把参数插入字符串的效果。

##用于把两个符号连成一个符号

但是这样的连接必须产生一个合法的标识符，否则其结果就是未定义的

例：

#define CAT(X,Y) X##Y
int main()
{
	int YiGang101 = 100;
	printf("%d\n", CAT(YiGang, 101));


	return 0;
}

带副作用的宏参数

例：

int a = 1;
	int b = a + 1;//b=2,a=1

	int b = ++a;//b=2,a=2

显然，++a是有副作用的，因为它不仅改了a，还改了b，

如果像++a这样的宏参数在宏的定义中出现了不止一次，那么在你使用这个宏的时候

就会有危险

例：

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

int main()
{
	int a = 5;
	int b = 8;

	int m = MAX(a++, b++);
	//printf("%d %d", a, b);
}

如果我们不进行打印，通过调试判断，我们会发现a=6，b=9

经过替换后变成了这样

	int m = ((a++) > (b++) ? (a++) : (b++));

由于a=5,b=8,5<8,所以返回b++（此时的b++是后置，所以不执行）,此时已经算判断过一次了，所以a=6，b=9

如果这时我们再打印a，b，b++就会执行

	printf("%d %d", a, b);

宏和函数的对比

宏通常用于执行比较简单的逻辑，比如求两个数的最大值

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

如果用函数来搞，是这样的

int compare(int x, int y)
{
	return x > y ? x : y;
}

同样的逻辑为什么用宏而不用函数？

从底层来看，宏转汇编后长度远小于函数，所以宏更快，而且函数还有压栈的开销

在力扣的题解中为了追求速度很多小的函数会被定义成宏

而且宏无关类型，而函数必须是具体类型

宏还可以传类型，这是函数做不到的

例：

在使用malloc开辟空间时一般要这么用

malloc(10*sizeof(int));

想要

malloc(int,10);

但是不能传类型，我们可以定义一下宏

#define MALLOC(num,type) (type*)malloc(num*sizeof(type))

int* p =  MALLOC(10, int);

但是宏也有缺点

1 每次使用宏的时候，一份宏的代码就插入到程序中

除非宏很短或使用次数很少，否则会大幅增长程序的长度

这个要和上面的区别开，这并不意味着宏很慢，而是因为宏时替换，所以每次用的宏

就会直接被替换，导致程序长度变长

2 宏没法调试

3 宏由于没有类型，所以不够严谨

4 宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程序出错

这很好理解，我们定义宏的时候经常需要猛加括号

另外，C++的大佬针对于宏的缺点搞出了内联inline，在兼顾了宏的优点时几乎没有什么缺点

而且查阅C Primer Plus后发现C99已经引进了内联

再另外，C99/C11为宏提供了类似printf中的可变参数，使宏参数支持可变宏参数，

还有C11提供的泛型选择关键字_Generic和宏结合起来也是确实听不错的

大家有兴趣可以自己下来看一看，速通C语言系列先不做过多介绍

4 命令约定

一般来讲函数和宏的使用语法相似，所以语言本身没法区别

，平时的使用习惯为

宏名全部大写，但是函数不全部大写

5 命令行参数

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

需使用gcc的-D选项

我们在gcc上演示一波

#include<stdio.h>

int main()
{
	int arr[m]={0};
	for(int i=0;i<m;i++)
	{
		arr[i]=i;
	}

	for(int j=0;j<m;++j)
	{
		printf("%d ",arr[j]);
	}

	
return 0;
}

正常编译肯定是会报错的

但是如果我们用一下-D选项

gcc test.c -o test -D m=10 -std=c99

(成功运行)

6 条件编译

在编译的时候我们如果是否编译/放弃一条语句是很方便的，因为我们有条件编译。

简而言之就是满足条件就编译，不满足就放弃

使用场景通常是库的实现中的版本控制和跨平台

比如说如果是这个版本，就编译这一段，如果是另外一个版本，就编译下一段

再比如说线程库对于Linux下是pthread原生线程库，但是windows下就是windows自己的线程库

C++11的线程库为了兼容两个平台，其底层就是条件编译加上调用各自的线程接口。

例：

int main()
{
#ifdef PRINT
	printf("SunsetShimmer\n");
#endif

	return 0;
}

由于我们没有定义PRINT，所以不会打印

#define PRINT

int main()
{
#ifdef PRINT
	printf("SunsetShimmer\n");
#endif

	return 0;
}

（成功打印）

常见的条件编译指令

单分支

#if 常量表达式

#endif

例：

#if 1

	printf("hehe");
#endif

运行之后

如果换成



#if 0

	printf("hehe");
#endif

则不能打印

由此我们得到了一种很装杯的注释一段代码的方式，只要我们将要注释的代码最前面加上

#if 0 最后加上#endif,便能完成注释的操作，也是确实挺不错的

多分支

#if 常量表达式


#elif  常量表达式


#else


#endif

简单举个例子

void test1()
{
#if 1==1
	printf("MoFaMaoMi");

#elif  1==2
	printf("Nijiejiede");

#else
	printf("wochihaol");

#endif
}

判断是否被定义

例：

第一种是如果定义了xxx,就执行以下语句

其写法为

#ifdef TEST
	printf("test\n");
#endif

和

#if defined TEST
	printf("test\n");
#endif

还有一种是反的，如果未定义xxx，就执行以下语句

#ifndef TEST
	printf("test\n");
#endif

#if! defined TEST
	printf("test\n");
#endif

另外，我们还有一个可以移除宏定义的指令

#undef

简单写个代码

#define M 10
void test4()
{
	printf("%d ", M);
#undef M
	//printf("%d ", M);

}

此时能打印

啊但是

#define M 10
void test4()
{
	printf("%d ", M);
#undef M
	printf("%d ", M);

}

嵌套指令

以上条件指令均可嵌套

例：这是一段简易的处理跨平台的代码

#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

7 文件包含

包含的文件具有两种

1 本地文件 #include"filename"

2 库文件 #include<filename>

其中两种不同的包含方式本质其实是查找策略的区别

<>表明直接去库的目录下找，找不到，就报错

VS下的标准头文件路径为C:\Program Files(x86) \Microsoft visual studio12.0 \ vc \include

Linux下的gcc是 /user/include

""则是先去你项目源文件所在目录查找，如果找不到，再去标准库中查找

所以按理来说，库文件是可以用""来包的，只不过他会先去项目源文件所在目录查找，再去标准库中查找，但是这样就太慢了，我们不推荐。

嵌套文件包含

嵌套文件是一种在项目中很常出现的情况

例如现在comm.h和comm.c是公共模块

现在程序员易刚写了test1.h和test1.c,其中test1.c包了头文件comm,h

同时程序员志明写了test2.h和test2.h,其中test2.c包了头文件comm,h

现在又有程序员紫瑶写了test.c,他同时包了test1.h和test2.h(如图所示)

（只看图的话，很像，很像啊，经典的菱形继承，不过这里并没有所谓的数据冗余和数据二义性问题）

众所周知，我们包的头文件在预处理阶段就会展开，所以包几次头文件就会展开几次

对于很长的头文件多次展开会造成代码冗余的问题

我们有两种做法保证头文件只包一次

#pragma once

还有一种较为麻烦的做法

#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__


……

#endif // !__TEST_H

显而易见，如果没包含头文件（test.h），就包含（执行下一句），如果包了，第二句就不执行

一个优秀的头文件应该有如上任意一种形式的操作

8 其他预处理指令

其他预处理指令#line #error #pragma以及别的关键字大家可以下来查查资料，没啥可讲的

速通C语言系列结束#

总结

做总结，这是速通C语言系列的最后一篇，编译链接里的陌生知识可能会劝退很多人，不过大家

不用着急，可以留到以后再看，预处理相关的东西其实还是相对比较简单的。

水平有限，还请各位大佬指正。如果觉得对你有帮助的话，还请三连关注一波。希望大家都能拿到心仪的offer哦。