编程范式(斯坦福大学)学习笔记《十二》

最新推荐文章于 2021-12-08 17:31:25 发布

Dakin__

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分类专栏：公开课

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本文探讨了预处理器的功能，包括宏定义及其在程序中的作用，以及预处理、编译和连接过程的区别。同时，文章详细解释了宏定义与函数之间的差异及优缺点，并讨论了如何避免在程序中重复包含头文件。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

本节课讲解的主要是预处理器，编译和连接的异同。

#define有两个功能：一个是定义常量，一个是作为宏。

//定义常量
#define w 40
#define h 80
#define pere 2*(w+h)
//宏
#define MAX(a,b) (a>b?a:b)
MAX(10,40)//预处理替换为(10>40?10:40)

//int max = (fib(100) > fract(4000)) ? fib(100) : fract(4000);展开替换后的结果，编译器不会保留中间结果，函数被调用了两次，尤其是大规模的函数会导致性能下降
int max = MAX(fib(100, fract(4000)));

//int larger = ((m++) > (n++)) ? (m++) : (n++);//一共自增了3次
int larger = MAX(m++, n++);//最终会对大的两次自增，小的一次自增

注意：

1.这种宏定义市运行速度比函数快，而且不需要管参数的类型，例如：

MAX(40.2,"Hello");//预处理阶段没问题，但是编译阶段会报错。

2.在预处理阶段进行的都只是文本替换，结果作为数据传到下一阶段，预处理阶段并不进行类型检查，文本替换产生的问题会在之后的编译阶段进行识别。

3.为了避免define在预处理时不进行类型检查的缺点，应用static const定义全局变量。

//最好将重复代码写成函数或者是小段的宏，便于替换。
#define NthElemAddr(base, elemSize, index) ((char*)base + index * elemSize)
void* VectorNth(vector *v, int position)
{
    assert(position > 0)
    assert(position < v->logLength)
    return NthElemAddr(Vector->Elem, Vector->Size, positon);
}

上面的define返回的是char*类型，而VectorNth函数是void*类型会出错吗？

没有问题。因为void*可以接受任何类型指针，就是所谓的上转型（upcasting），将一个更具体的指针转换成一个类型更泛化的指针。编译器知道这种类型转换并不会带来风险。如果进行下转型（downcasting），就告诉编译器，我现在有一个类型更加泛化的指针，我知道此指针具体类型是什么，但是如果涉及引用就想要进行强制转换。

#assert宏

#ifdef NDEBUG    //是关于某个define是否存在的判断，如果定义了NDEDUG，那么程序中所有的assert都会替换成空操作语句 
    #define assert(cond) (void)0    //将数字0强制转换为void类型，不要把这个0用在任何地方，也不许被赋值，作为一个空操作（nop），在?和:中间占位。虽然看上去是一条语句，但是它不会被编译成任何一条汇编指令
#else
    #define assert(cond) \
        (cond) ? ((void)0) : fprintf(stderr,"..文件名..行号等.."),exit(0);
#endif

#include

#include <stdio.h>
#include "vector.h"

1.使用尖括号:认为是系统文件，应该是编译器提供的，预处理器可以通过默认路径找到这些文件。/usr/bin/include和/usr/include中查找。

2.使用双引号:编译器会假设这是用户编写的.h文件，会默认从当前工作目录查找该头文件。通过makefile可以设定一些选项告诉编译器从哪里寻找这些包含的头文件。

3.#include指令也是查找并替换。用文件的内容替换掉该行#include指令。对于#include的处理是递归的，如果#include的指定文件本身还包含#include行，那么预处理器会一直深入下去直到最底层，层层替换直到生成不包含#include和#define的文本流。所以预处理后的文本流中，所有的#include和#define都被移除了。

gcc xxx -c vector.c

-c表示编译源文件，但是不要生成可执行文件。编译阶段之后就停止，只生成.o文件，不进行链接。

gcc xxx -E vector.c

-E表示只进行预处理，然后将结果输出，但是不进行后续阶段的操作。在生成的文件中前半部分都是导入的其他代码，在快结尾部分是自己的代码。

避免循环包含头文件，预处理器也不会让某个头文件被包含两次：

#ifndef _vector_h_
#define _vector_h_
 //列出所有vector.h中的原型
#endif

注意：

所有的.h文件都是定义某些原型的，不产生代码。好比定义某个结构类型，但是不会产生该结构体相应的代码。而且在.h文件中也不能申请任何存储空间，除非定义共享全局变量（很少使用）。但是.c和.cpp文件不同，它们定义了全局变量，全局函数和类方法等，都要被翻译成机器码（一系列01串），机器码可看作是汇编指令。包含.c和.cpp可认为是重复定义函数。声明一个函数和定义一个函数是不同的，对于函数实现而言，编译阶段会生成相应的代码，对于函数声明却不会产生任何代码。

1.vector.c文件包含了a.h，b.h，c.h文件。经预处理后去掉了#define和#include头。再经过编译得到.o文件（内容是汇编代码）。然后再经过链接得到可执行文件。（链接阶段将所有相关的.o文件组织到一起，连接器尝试使用这些文件创建可执行文件。这阶段需要有一个main函数，连接器才知道从哪里开始执行程序，对于每一个要被调用的函数都应该有定义，要求所有定义了的函数只被定义一次）。

2.如果在makefile或者gcc命令没有加额外选项的话，编译器会继续下面各个阶段并且生成可执行文件，默认情况下文件名为a.out。

3.链接会将.o文件和其他.o文件的各个部分进行混合重组（除了自己编写的模块，其他部分都是来自于编译器标准库或者是标准的.o代码）。

.o文件

#include<stdio.h>//printf
#include<stdlib.h>//malloc free
#include<assert.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
    void* memory=malloc(400);
    assert(memory!=NULL);
    printf("Year!\n");
    free(memory);
    return 0;
}

注意：

1.#include<stdio.h>负责malloc，free，realloc，将其注释掉，就没有malloc，free，realloc的函数原型了。函数在执行到第7行时，也会将malloc推测成一个函数，并且推测函数有一个int参数，且返回一个int值，编译器并不会查看赋值函数来推测返回值是什么类型。因此编译器会对这行给出两条警告：第7行根据推测的函数类型，会认为是对一个指针赋值，而赋值的类型却是一个普通的整型。第10行编译器同样不知道free是什么，并推测它的原型，free的参数是void*，并且返回值是int，产生的内容和没有注释该行的.o文件完全一样。只是会报出三个错误，其中两条是说明缺失原型的，而一条是左值和右值类型不兼容，但是还是生成.o文件。当链接的时候链接器会忘掉这些警告，它不会记录有没有包含某个头文件，也不会记录编译时存在的警告。但是生成的.o文件和代码的语义是完全一致的，所以当链接并运行程序是没问题的。

2.负责printf，将这一行注释掉之后，预处理器生成的翻译单元中将不会有printf函数的声明。有的编译器会在编译阶段报错（函数未声明），gcc则不会报错。gcc会在编译时刻分析源程序，看看哪部分像是函数调用，会根据函数调用推测函数原型。编译器看到了调用printf，printf只有一个字符串作为参数，发出未找到printf函数原型的警告，但是不会停下来，还是继续生成.o文件。gcc推测一个函数原型时，将返回类型推测为int。如果还有其他的printf函数，那么只能同样是只有一个字符串参数（推测出的原型，函数参数个数不可变）。推测出的函数原型会与实际的函数原型稍有区别，但是生成的.o文件实际上完全没变（因为.h头文件只是包含结构的定义以及一些原型，对头文件来说不会产生任何汇编代码，头文件的用处只是告诉编译器一些规则，让编译器判定程序的语法正确与错误）。ld命令用来链接，链接命令会根据编译过程中出现的警告查找标准库，printf对应的代码就在标准库中，因此在链接阶段会被加进来，虽然在链接阶段之前并没有见过printf的原型。因此include并不能保证相应的函数实现在连接时可用，如果某个函数定义在了标准库中，那么在链接时就可以被加进来，而无论我们是否声明了函数原型。

3.如果将前两条include都注释掉，那么会产生4条警告，但是依然会生成.o文件，并且会链接生成a.out文件并执行它。其实头文件做的全部事情就是告诉编译器有哪些函数原型。但是在.h文件中并没有说明这些函数的代码在哪里，链接阶段则负责去标准库中寻找这些代码，而malloc，free，printf正是在标准库中。只要被调用的函数在标准库中存在，那么无论编译时有没有警告，生成的.o文件都会没有区别（包含原先代码的语义），因为在链接的时候可以用到标准库的代码，并将调用到的函数的代码加到.o文件集合中，因此会在.o文件中出现相应标号的函数，生成可执行文件。

4.#include <assert.h>注释掉之后编译器遇到第8行，看到的只是assert这个符号，而不是宏替换后的代码，一次编译器猜测它是一个函数调用，会在.o文件中出现CALL<assert>，造成编译成功，但是链接失败了，原因是标准库中根本没有assert函数。