程序环境和预处理

前言：

为什么在一个源文件内定义了一个函数，不用声明，相同目录底下的另一个源文件还可以使用而不报错？为什么C++支持函数重载而C不支持？一个程序“跑”起来的底层原理是什么？那么程序究竟是如何跑起来的呢？本篇将会介绍程序是如何运行的，运行的底层原理究竟是什么。作为一个“未来的程序猿”，了解这块的知识对我们来说是非常有必要的。它能让我们对代码有更高的认识，希望学完本章后，加上自己不断的摸索，思考以及大量的练习，能够做到看代码就是内存---程序猿的第二层境界。

前言：

1. 程序的翻译环境和执行环境

首先来谈谈什么是ANSI C

ANSI 就是美国国家标准协会（American National Standards Institute）
ANSI C就是美国国家标准协会制定的一个C语言的标准
1978年由美国电话电报公司(AT&T)贝尔实验室正式发表了C语言.同时由B.W.Kernighan和D.M.Ritchit合著了著名的“THE C PROGRAMMING LANGUAGE”一书.通常简称为《K&R》,也有人称之为《K&R》标准.但是,在《K&R》中并没有定义一个完整的标准C 语言,后来由美国国家标准协会（American National Standards Institute）在此基础上制定了一个C 语言标准,于一九八三年发表.通常称之为ANSI C

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。

2. 详解编译+链接

2.1 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。

2.2 编译本身也分为几个阶段：

编译过程分为：

1、预处理（预编译）

头文件的展开，宏的替换，条件编译，去掉注释，生成 .i文件

2、编译

检查语法，生成汇编代码，生成 .s文件

3、汇编

把汇编代码转化成二进制的机器码，交给CPU处理，生成 .o文件

链接过程：

4、链接

合并段表，符号表的合并与重定位

找调用函数的地址，链接对上，合并到一起，生成 a.out 文件

在Linux系统下的操作指令可以观察的比较清晰

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。

2.3 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。

接下来所介绍的全部内容，都是在预处理阶段进行的，是程序编译的最初阶段，内容丰富，要多多领悟，体会预处理的过程。

3. 预处理详解

3.1 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
这些预处理符号都是C语言内置的，可以直接使用。

举个栗子：
printf("file:%s line:%d\n", __FILE__, __LINE__);
这方面的内容可以被当成日志的一种方式。

3.2 #define

3.2.1 #define 定义标识符

#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
// 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__ )

注意：

#define定义的标识符结尾不要加；

3.2.2 #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），和函数类似但又不完全相同。

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。

3.2.3 #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。

3.2.4 #和##

两个比较少用的符号，比较奇怪，了解即可。

使用 # ，把一个宏参数变成对应的字符串。

使用##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。

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。

3.2.5 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

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

int main()
{
	int x = 5;
	int y = 8;
	int z = MAX(x++, y++);
	printf("x=%d y=%d z=%d\n", x, y, z);//输出的结果是什么？
}
解析：

首先执行x++的结果，先使用，再++，为5，x变为6；再执行y++，先使用，再++，为8，y变为9；判断，5 > 8 吗，错误，？后面的x++ 不执行，直接执行y++，将y++的值返回给z，y++先使用，再++，为9，则z = 9，y要自增1，y = 10。

最后结果为 x = 6；y = 10；z = 9

3.2.6 宏和函数对比

由于宏和函数比较类似，便有人喜欢拿它们作对比。

宏的优点：

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。
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。

宏的不足：
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。
2. 宏是没法调试的。

3. 宏由于类型无关，也就不够严谨。
4. 宏可能会带来运算符优先级的问题，导致程容易出现错。

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。

这一方面面试时候经常可能会问，要熟知。

3.2.7 命名约定

一般情况下，但也不绝对。把宏名全部大写，函数名不要全部大写。

3.3 #undef

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。

3.4 命令行定义

该过程是在Linux底下操作的

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。）

3.5 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。

比如说：
调试性的代码，删除可惜，保留又碍事，所以我们可以选择性的编译。

和 if 选择语句非常类似。

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

3.6 文件包含

3.6.1 头文件被包含的方式：

1、本地文件包含

带 “” 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。

2、库文件包含

带 < > 的

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。

3.6.2 嵌套文件包含

在某种情况下，多个文件的关系可能是这样的。这时候，必须就要使用特定的手段来防止头文件重复包含。

那如何做呢？有两种方法
#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
//头文件的内容
#endif   //__TEST_H__
#pragma once
相对来说，第二种更简单。