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一. 程序的翻译环境和执行环境

二. 详解编译+链接 

 1.翻译环境

2.运行环境

三.预处理详解

1.预定义符号

2.#define 

 （1）#define定义标识符

（2）#define定义宏

 （3）#define 替换规则

（4）#和##

（5）带副作用的宏参数

（6）宏和函数对比

（7）命名约定

3 #undef

4 命令行定义

5 条件编译

6 文件包含

（1）头文件被包含的方式

（2）嵌套文件包含

一. 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 

二. 详解编译+链接 

 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。
• 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

也就是说，翻译本身就包含两个阶段：1.编译阶段 2.链接阶段。那么每个阶段分别做什么事情呢？

对于一个test.c文件，在gcc编译器下测试，翻译阶段做的事情。 

#include 
#define N 10
                                                                           
int g_val = 10;
//this is a comment for test 
int Add(int x, int y)
{
    return x + y;
}
int main()
{
    int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    int i = 0;
    for(i=0; i< N; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("%dn", g_val);
    return 0;
}

 下面在centOS环境下使用gcc演示上面的一串简单代码。

第一步，预编译

由于预编译之后的结果会直接在终端显示，我们包含了stdio.h头文件，代码过多，因此重定向到test.i中方便查看。执行代码

gcc -E text.c -o test.i

 

我们可以看到执行完毕之后产生了test.i文件，打开为文件之后我们可以看到。 

 

 我们可以看到有很多行代码，在这里最后面几行很熟悉，这就是我们在test.c中写的代码，仔细观察可以发现有几种变化，1.少了"#include"这一行,这是因为头文件展开，产生了前面的几百行代码。2.我们用于测试的注释也消失了。3.for循环中的N被替换成10了，并且#define消失了。这就是预处理阶段做的事情。

注：由此可以看出头文件重复包含是一件很严重的事情，所以我们要避免头文件重复包含，这个我们后面再说。

第二步，编译

执行代码

gcc -S test.c
//或者gcc -S test.i

 

 可以看到生成了一个test.s文件，打开test.s文件

 这时可以看到，已经转换成汇编代码了，所以在编译环节，做的事情就是把C语言代码转换成汇编代码，并且做语法分析、词法分析、符号汇总、语义分析。

在符号汇总的过程中，会把全局的符号全部汇总出来，在上述的例子中，会汇总的就是g_val,Add,main三个，其余的局部变量只会在程序执行的过程中产生。

第三步，汇编

执行代码

gcc -c test.c

 

 可以看到生成了test.o文件

 打开以后，发现我们已经看不懂里面写的是什么了，这就是已经被翻译成二进制，

汇编代码做的事情就是：1.把汇编代码翻译成二进制。2.形成符号表（上面符号汇总的符号在这里会形成符号表），后边如果使用这些符号的话，就可以对表寻址。

第四步，链接

我们在上面生成的目标文件，如果有多个源文件，最后编译完成以后，会生成多个.o文件，此时整个工程中各个源文件都是单独存在的，互相不知道的，所以在链接操作过程中，会合并段表（将多个源文件和链接库合成），符号表的合并和重定位：在汇编过程中，每个文件会生成一个符号表，，这时候会将这些符号表合并，然后如果发现有重合的符号或者地址无意义的符号，会被重定向，筛选。

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。

三.预处理详解

1.预定义符号

C语言预置了一部分符号，我们可以直接使用

__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

例如：

2.#define 

 （1）#define定义标识符

//语法
#define name stuff

 例如：

#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:%stline:%dt
             date:%sttime:%sn" ,
             __FILE__,__LINE__ ,    
             __DATE__,__TIME__ )
//用""表示续行的时候，后面不能加任何字符（包括空格）否者就会理解成转义其他字符

建议不要在#define后面加";",因为我们在使用的时候，会自己加分号，而且我们不知道后面使用这个符号的时候，在什么语句中，如果该位置不能加分号，那么这个定义就不能使用，会出现语法错误。

（2）#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）。

 宏的声明方式：

#define name( parament-list ) stuff

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 。

由于宏是直接替换的，所以，我们在使用#define定义宏的时候，宏的参数要带括号

例如：

我们要定义一个DOUBLE表示一个数的二倍

#define DOUBLE( x)  ( ( x ) + ( x ) )

 （3）#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。

（4）#和##

对于下面这一串代码：

int main()
{
	int a = 10;
	printf("the value of a id %d", a);

	int b = 20;
	printf("the value of b id %d", b);

	return 0;
}

可以发现，代码有点冗余，两句printf高度重合，那么我们能不能用一个函数或者是宏来分装一下呢？显然函数不行，函数的参数是不会随着传入的变量名而变化的，而宏可以，我们可以写一个宏

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

int main()
{
	int a = 10;
	PRINT(a);

	int b = 20;
	PRINT(b);

	return 0;
}

 用这个宏就可以实现，#N的作用就是把一个宏参数变成对应的字符串，当我们使用#的时候，N就不会被替换成传入的值，而是提替换成字符或者字符串。

##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;
//...
ADD_TO_SUM(5, 10);//作用是：给sum5增加10.

注：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。

（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：

#define MAX(a, b) ( (a) > (b) ? (a) : (b) )
//...
x = 5;
y = 8;
z = MAX(x++, y++);
printf("x=%d y=%d z=%dn", x, y, z);

对于上述代码，传入的参数本身执行完毕之后会改变自身的值，我们的本意可能是想得到x=6,y=9,z=8这个结果，但是由于宏的副作用，得到的结果是x=6 y=10 z=9。

（6）宏和函数对比

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

（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。

用法：

#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

例如：

 执行完#undef MAX以后，MAX就是未定义的

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 
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;
}

对于这串代码，ARRAY_SIZE显然是未定义的，下面，在Linux环境下使用gcc演示

 在命令行中定义之后就可以正常运行，输出0~9。

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。

例如：

#include 
#define __DEBUG__
int main()
{
    int i = 0;
    int arr[10] = {0};
    for(i=0; i<10; i++)
    {
        arr[i] = i;
        #ifdef __DEBUG__
        printf("%dn", arr[i]);//为了观察数组是否赋值成功。
        #endif //__DEBUG__
    }
    return 0;
}

当我们不需要debug的时候，直接删除或者注释第二行就可以。

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

6 文件包含

（1）头文件被包含的方式

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 "filename.h"
• 库文件包含： #include

本地文件包含用的""的查找策略：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。

库文件包含用的<>的查找策略：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。

（2）嵌套文件包含

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

上文中我们知道，头文件的重复包含是很严重的，那么如何解决这个问题呢？条件编译

每个头文件的开头写：
#ifndef  __FILENAME_H__
#define __FILENAME_H__
//头文件的内容
#endif  //__FILENAME__
或者
#pragma once
就可以避免头文件的重复引入