一.程序的翻译环境和执行环境

在ANSI C（标准c）的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

计算机是能够执行二进制指令的，但是我们写出的c语言代码是文本信息，计算机不能直接理解

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。c语言的代码--》二进制指令，会放入可执行程序中（编译+链接生成.exe可执行程序）

第2种是执行环境，它用于实际执行代码。执行二进制代码（运行.exe可执行程序）

二. 详解编译+链接

2.1 翻译环境

翻译就是将每个.c文件单独经过编译器编译，生成.obj目标文件，再将目标文件和库经过链接器链接，生成可执行程序.exe。

我们是可以找到这些文件的

 

vs2019 集成开发环境 集成了：编译器（cl.exe）+链接器（link.exe）+调试器

在vs2019这样的集成开发环境中不方便观察这些细节，这里我使用Linux系统，使用gcc这个编译器给大家演示一下整个过程

翻译过程(这里挑关键的给大家描述)

编译分为预处理，编译，汇编，链接只有链接

预处理：主要做的是注释的删除，头文件的包含，符号的替换

编译：主要是将c语言代码进行拆解翻译成汇编指令，语法分析，词法分析，语义分析，符号汇总（关键）

汇编：将汇编代码翻译成二进制指令，并形成符号表（重要）

链接：1.合并段表.   2符号表的合并和重定位（重要）

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。

linux下gcc编译产生的目标文件test.o,可执行程序test都是按照ELF这种文件格式来存储的

readelf 工具能识别elf格式的工具

readelf test.o -s命令可以看到全局属性的变量，不能看到局部描述性的变量

段表抽象图

        段表可以理解为.o文件的存储格式，分为一个个小段，合并段表就是将相同区域的数据合并，并填入可执行程序里

符号表的合并和重定位，是下边过程

编译阶段符号汇总（将全局属性的符号进行汇总，比如printf，Add，main等），汇编阶段形成符号表并填充地址，链接阶段符号表合并且重定位（test.c形成的Add是无效地址，如果我们将add.c中的Add屏蔽，会报链接错误，因为符号表填充的是Add的无效地址，链接找不到函数定义），合并段表（合并两张段表）

我们程序中有三种常见错误：编译时错误和链接时错误和运行时错误

编译时错误主要是语法有错误，因为编译器在编译阶段会进行语法分析

链接时错误主要是函数名写错（函数未定义），因为链接时会进行符号表的合并，连名字都对不上肯定有问题，或者函数在使用之后定义未声明，导致的错误。

运行时错误主要是空指针的解引用，数组越界等等编译器未在编译链接查找到的错误

以上就是翻译环境的介绍

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）（函数栈帧），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。

三.预处理详解

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

经过预处理，我们确实看到了预处理的结果

2 #define

2.1 #define 定义标识符

语法： #define name stuff

不管是整数，字符串，还是循环结构都能替换

甚至可以为了简便将break,case 定义为一个大写CASE，在预处理阶段也会替换

甚至可以替换打印，特别牛逼

提问：在define定义标识符的时候，要不要在最后加上 ; ?

比如

 

#define MAX 1000;

#define MAX 1000

建议不要加上 ; ,这样容易导致问题。

比如下面的场景：

if(condition)

max = MAX;//这里会替换为1000;;   两个分号，无法与if语句匹配，语法错误

else

max = 0;

2.2 #define 定义宏

会在预处理阶段进行宏替换（直接在原位置替换）

注意：

参数列表的左括号必须与name紧邻。（就是讲MAX必须和左边的括号相邻，不能有空格）

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。

我们看一个例子

#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？

替换文本时，参数x被替换成a + 1,所以这条语句实际上变成了：

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

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果：

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

这里还有一个例子

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 ) )

总结：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。

2.3 #define 替换规则（简单来说就是在预处理阶段在原文直接宏替换）

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。

2.4 #和##

我们可以看到这样一段程序，既可以在一个" " 内部打印，又可以拆解成两个" " ,打印是一个效果，是不是很神奇呢？

#include<stdio.h>

int main()

{

    printf("hello world\n");

    printf("hello ""world\n");

    return 0;

}

我们如果想实现一个函数，能打印a，b，f是不现实的，但是我们可以用宏解决这个问题，将宏定义的n打印的时候在n前加一个#，是为#n，在预处理阶段能将a替换过去，预处理完成后是下边这个效果，可以看到都替换过去了（注意，我们多传了一个format是为了能识别不同类型去打印）

打印是这个效果

 

#include<stdio.h>

#define PRINT(n, format) printf("the value of "#n" is " format "\n", n)

int main()

{

    int a = 20;

    //printf("the value of a is %d\n", a);

    PRINT(a, "%d");

 

    int b = 15;

    //printf("the value of b is %d\n", b);

    PRINT(b, "%d");

 

    float f = 4.5f;

    //printf("the value of f is %f\n", f);

    PRINT(f, "%f");

    return 0;

}

所以#的作用是把一个宏参数变成对应的字符串

#include<stdio.h>

//##

#define CAT(x,y) x##y

 

int main()

{

    int Happyjzy = 2025;

    printf("%d\n", CAT(Happy, jzy));

    printf("%d\n", Happyjzy);

    return 0;

}

##的作用很简单，在预处理阶段将传过去的字符串拼接

我们看到都打印了2025

2.5 带副作用的宏参数

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。例如：

x+1;//不带副作用

x++;//带有副作用,一定要避免传这种参数，会连续影响不符合预期

MAX宏可以证明具有副作用的参数所引起的问题。

#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);//输出的结果是什么？

这里我们得知道预处理器处理之后的结果是什么：

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

所以输出的结果是：

x=6 y=10 z=9

2.6 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。

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

那为什么不用函数来完成这个任务？

原因有二：

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。（函数调用需要经历下边的阶段，但宏只需要替换就可以计算逻辑，没有创建栈帧和调用函数的额外时间）

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。（编译的时候宏可能会替换多次，就多余了很多行代码，但是函数只有调用时的代码）

2. 宏是没法调试的。（直接宏替换了，没法调试）

3. 宏由于类型无关，也就不够严谨。（没有函数的类型检查了）

4. 宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程容易出现错误。

         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。

宏可以封装，外界只用传大小和类型就能用malloc，很方便

宏和函数的一个对比（基本上前面都讲过了）

2.7 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：把宏名全部大写 函数名不要全部大写

3 #undef

这条指令用于移除一个宏定义。

#include<stdio.h>

#define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y))

int main()

{

    int c = MAX(3, 5);

    printf("%d\n", c);

#undef MAX

    c = MAX(5, -5);

    printf("%d\n", c);

    return 0;

}

我们可以看到确实报错了（未定义错误）

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。（gcc支持，vs不支持）

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。）

我们看下边一段代码

#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;
}

出现了这样的报错，是因为没有指定数组大小

我们可以采用-D  ARRAY_SIZE =指定大小来解决

问题得到了解决

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。

常见的条件编译指令：

#if 常量表达式

//...

#endif

编译无法通过，因为if为假

2.多个分支的条件编译

#if 常量表达式

//...

#elif 常量表达式

//...

#else

//...

#endif

M为2打印heihei，因为前边的都进不去，很简单吧

3.判断是否被定义

#if defined(symbol)    #ifdef symbol     这两个等价

#if !defined(symbol)      #ifndef symbol    这两个也等价

这两个是一个意思结果都一样

问：为什么WIN 是0也可以通过编译呢？

答：因为这个是判断是否被定义，跟是否是0没关系

ifndef就不演示了，是一个道理

当我们屏蔽定义时，就不会打印了

4.嵌套指令（这个了解一下就行）

#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

有的同学看到这里会产生疑惑，条件编译的作用是什么呢？

其实这个主要用于防止头文件重复包含

我们建一个.h文件，里边只放一个声明

在.c文件包含一下，然后预处理，我们看到只有一个头文件，那我们如果把注释取消呢

我们可以看到出现了四份头文件代码

如果头文件里的代码不多，倒也没啥问题

但是如果是企业级开发，可能一个头文件会有几千行代码，那我们编译时要处理这么多多余的代码，是不是不太好呢

 

条件编译的作用就来了

我们在头文件中添加这样一段代码（代码解释：如果没有定义这个符号，我们就定义并且执行里边的内容，等第二次要定义的时候发现已经定义过了，头文件只包含了一次，条件编译就结束了）

我们再编译一下代码，在.i文件里就可以看到只有一个头文件内容，这就是条件编译的主要用途-》防止头文件重复包含

 

6.文件包含

我们不仅可以用上述方法解决头文件重复包含的问题，#pragma once也可以一劳永逸的解决，效果是一样的。现在编译器都升级了，会在我们建立头文件时自动加上#pragma once。

头文件被包含的方式：

本地文件包含   #include "filename"

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

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 VisualStudio12.0\VC\include

//这是VS2013的默认路径  (注意按照自己的安装路径去找)

库文件包含,就是我们常写的标准库的头文件    #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。

这样是不是可以说，对于库文件也可以使用 “” 的形式包含？

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。

总结：是库文件就<>包含，是自己定义的文件就" " 包含，可以保证效率

笔试题：

1. 头文件中的 ifndef/define/endif是干什么用的?  答：防止头文件重复包含

2. #include <filename.h> 和 #include "filename.h"有什么区别? 答：#include <filename.h>只会在标准库目录下查找， #include "filename.h"先在当前工作目录查找，找不到->去库工作目录查找，再找不到就报错

四.. 其他预处理指令

#error

#pragma

#line

...

感兴趣的可以自己了解，这里把关键部分都讲完了

#pragma pack()在结构体部分介绍。

可参考《C语言深度解剖》学习

感谢支持！！！