C/C++相关概念和易错知识点（8）（预处理、编译、链接）

前言：这篇文章将从程序运行的顺序讲解预处理、编译、链接相关的知识点。重要分享预处理相关的知识和感想。后面可能会针对这三个知识点进一步分享

生成可执行程序全过程

.c文件在翻译环境中处理生成可执行程序。电脑是不能看懂我们写的代码的，所以需要翻译环境来将我们写的代码转换为可执行的程序，可以将翻译环境理解为我们日常生活中使用的翻译软件。在C语言相关概念和易错语法（1）中我就讲过我们写的代码转化为可执行程序之间需要经历的过程

简单从图中进行一些解释：

（1）在Linux环境下编译生成的是.o文件，在Windows环境下编译生成的是.obj文件。.o（.obj）文件已经是二进制文件了。同样，.exe文件也是二进制文件

（2）编译过程包括：预编译、编译、汇编，具体操作后面会着重讲解

（3）链接库里面存储的是与程序运行相关的函数，它保证我们可以正常生成.exe文件并能正常运行。

正文

编译过程：预编译、编译、汇编

一、预编译（预处理）：

1.预处理进行的操作：预处理将所有（除#pragma）含#的指令、注释全部清除，包括#include，#define，#if等。具体处理方法是删去没必要的（如#if判断为假的代码块和注释），展开引用的头文件，生成.i文件，.i文件的内容还是C语言，我们依然能够看懂。

2.预处理相关的知识：

（1）展开头文件有两种表达方式：第一种是<xxx.h>直接到标准库的目录里去查找相关的文件，找到了就拷贝一份到该文件，找不到就报错；第二种是"xxx.h"，先在我们所写的.c文件的同级目录下找是否有相应的头文件，如果没有，再到标准库里去找，再没有就报错。

我们由此可以知道为什么自己写的头文件要用"xxx.h"来引用，本质上是两种书写方式导致的查找方法不一样。但是，要注意尽量引用标准库的函数时包含的头文件用<>形式书写，这样可以有效提高代码运行速度，且易于区分。

（2）条件编译：条件编译和条件表达式相似，具体有如下几种

①分支表达：

②定义判断：

注意事项：注意使用以上编译都要以#endif结尾保证结构完整。

注意条件编译（所有预处理指令）的执行先于main内部程序，所以要避免以下的错误：

因为#if后面的常量表达式为0（假）的话，#if与#endif之间的代码会在预编译期间被直接删除掉，在这里我们可以看到，#if后面的常量表达式在预编译阶段执行时，a还没有被赋值为10，所以为假，表达式结果是0，和下面效果一样：

③相关应用

以offset为例子，offset用于计算结构体的偏移量，offset其实是个宏定义，里面就有用到条件编译：

通过这里我们也可知道，在C和C++里面的offset并不完全相同。

（3）#pragma的两个常用之处

①  #pragma pack( num )

用于设置默认对齐数，#pragma pack( 1 )相当于没有对齐数这一概念了。

在一个程序里，经过实验，如果两个pragma pack间没有多余的代码（不含预处理指令），以后一个pragma pack为准；如果有多余代码，以第一个pragma pack为准。

针对上面代码举例子：

#include <stddef.h>

#pragma pack()

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)


struct Stu
{

	char name[15];

	short age;

	float score;

}s1;


int main()
{
    printf("name偏移量是%d\nage偏移量是%d\nscore偏移量是%d\n", (int)offsetof(struct Stu, name), (int)offsetof(struct Stu, age), (int)offsetof(struct Stu, score));

	return 0;
}

结果是：

②  #pragma once

在打开一个.h文件时，开头的第一句话就是这个，意思是防止头文件重复引用，这样在预处理结束后的代码过于冗杂，甚至出现错误

它相当于以下的代码：本质上都是防止重定义或重引用

顺便一提#undef是删除宏替换的意思而不是“不定义”的意思，如果要用到“不定义”的功能，需要在#if用否定方式描述，再用#define来操作

试着解释一下以下代码：

注意事项：#pragma有的指令是针对编译器的，比如使用#pragma pack(1)来控制默认对齐数，使得结构体，共用体实质上取消对齐，这影响到分配内存的规则，所以这种含#的指令在预编译阶段是不会删除的。

（4）宏替换和宏定义

宏替换：

①需要注意的一点就是宏替换会直接把你设置的内容置换，而中间不会做任何处理，因此当看到#define MAX 1+1时，不能把它想象成#define MAX 2。如果你想要达到这个效果，要勤加括号，最好在替换的内容的最外层都加一个括号，#define MAX (1+1)，这样能最大程度避免出现BUG。

②由于它的直接替换的特征，有下面一个非常易错的代码，同时也涉及指针的特点：

先看一下下面的代码：

#define INT int*

typedef int* INT_PTR;

int main()
{

	int* a, b;

	INT c, d;

	INT_PTR e, f;

	return 0;
}

其中很多人会误以为6个变量都是int*，其实不然。

只有a，c，e，f是int*，这个细节在于对指针表达的理解。在指针的章节我就分享过：*在不同的地方应该有不同的理解，有的时候int*要合在一起理解，有的时候要拆开随着变量作为一个整体去理解。这里拆开理解更好：

int    *a    ,    b

相信这样划分就能很好的理解为什么b是int而不是int*，因为只有一个*，被a占用了，所以b只是个int。宏替换的情况也是如此。那么如果我想要让b也是int*，则怎么处理呢？

这就要利用上面的e和f的处理方式了。INT_PTR被用于整个替换int*，相当于创建了两个INT_PTR的变量e和f，因此两个都是int*。

在这里，我们应该进一步了解到*（指针的符号）在C语言中的特殊性了，很多地方比较反直觉，需要在不同的地方对它进行不同的解读。

另外，不要将*作为宏替换末尾的符号，因为这往往达不到你想要的效果

*会被自动拆开作为INT替换的那部分

这里可以看到它被替换为* int*而不是int*

宏定义：

①两种书写符号#和##

#写在前面，相当于我们传什么，就把什么原样转换成字符串

##写在后面，举个例子：在我们传了type后，当type和其它字母（符号）相连时，type一般不会被替换，当在type后加上##时，它会和后面的字符连在一起并且会被我们传的type替换：

反例：

（5）C语言中还有一些预定义符号，如__DATE__，__TIME__，特征是中间的符号都是大写，左右分别由__划分，这类符号很多，要学会识别

二、编译，汇编，链接

1.编译

编译生成的是.s文件，它主要是将我们写的代码进行进一步检查（词法，语法，语义等分析），词法语法问题会在这个阶段被发现。同时，编译会将我们写的代码转化成汇编代码文件，这种文件的内容我们已经看不懂了。

2.汇编

生成.o（.obj）文件。这个阶段将汇编代码文件转换成了二进制文件，每一条汇编语句对应一条机器指令，不过这个时候生成的文件不止一个，需要经过链接才能最终生成可执行程序。

3.链接

它将汇编生成的文件结合链接库生成.exe文件，期间我们所写的函数会在这一步被定位。因此，如果没有定义函数，在这里会被找到。