C语言——详解程序环境和预处理

最新推荐文章于 2025-04-18 21:42:01 发布

爱吃鱼的修猫

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分类专栏： c语言修炼之路文章标签： c语言

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本文深入探讨程序的翻译环境与执行环境，详细解析编译和链接过程，并全面讲解预处理指令的应用技巧。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

前言

大家好，本篇文章将带领大家深入了解程序环境和预处理的有关知识内容。

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。

如图所示：

二、详解编译和链接

2.1 翻译环境

1. 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）。
2. 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。
3. 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 编译本身的几个阶段

编译本身也分为预编译阶段，编译阶段，汇编阶段，链接阶段，其功能各不相同，但也层层递进，如下图所示：

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。

三、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

这些预定义符号都是语言内置的。

举例如下：

3.2 #define

3.2.1 #define 定义标识符

语法：#define name stuff

举例如下：

另外在使用#define时要注意一个问题，就是其定义的name会在预处理阶段完全变成stuff，也就是说在定义的时候不要加；？等没有要的符号，不然就会出现错误

如：

#define MAX 1000;
int main()
{
   int a=MAX;
   return 0;
}
//在预处理阶段时就会变成
int main()
{
   int a=1000;;
   return 0;
}
//会导致运行出错

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）。

宏的声明方式如下：

#define name（parament-list） stuff

其中parament-list是一个由逗号隔开的符号表，他们可能出现在stuff中。

使用宏的时候需要注意以下两点：

1. 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.

#define DOUBLE（x） ((x)*(x))

2.宏用于对数值表达式进行求值的宏定义都应该用以上这种方式加上括号，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。

3.2.4 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;//没有副作用
x++;//有副作用

我们可以用下例代码进行证明：

#define MAX(x,y) ((x)>(y)?(x):(y))
int main()
{
	int a = 2;
	int b = 3;
	int c = MAX(a++, b++);
	printf("%d %d %d", a, b, c);
	return 0;
}

我们想要的结果是：a=2，b=3，c=3

而实际上呢？

如图所示，这便是带有副作用的宏参数，所以我们在使用时应该尽量避免使用这样的参数。

3.2.5 宏和函数的对比

1.从代码的长度来看：

宏：每次使用时，宏代码都会被插入到程序中。如果使用的次数比较多，除了非常小的宏之外，程序的长度会大幅度增长

函数：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

2.从执行速度来看：

宏：更快

函数：存在函数的调用和返回的额外开销，所以相对慢一些

如图所示：

#define MAX(x,y) ((x)>(y)?(x):(y))
int max(int x, int y)
{
	return (x > y ? x : y);
}
int main()
{
	int a = 2;
	int b = 3;
	int c = max(a, b);
	int d = MAX(a, b);
	
	printf("%d %d %d", a, b, c);
	return 0;
}

将上述代码调试转为反汇编我们发现：

函数：

宏：

由上可见，在调用函数时存在函数的调用和返回的额外开销

3.操作符优先级

宏：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：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

4.带有副作用的参数

宏：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：函数参数只在传参的时候求值一次，结果更容易控制。

5.参数类型

宏：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：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相同的。

如：

6.调试

宏：宏是不方便调试的

函数：函数是可以逐语句调试的

7.递归

宏：宏是不能递归的

函数：函数是可以递归的

总的来说，宏通常被应用于比较简单的运算。

3.2.6 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

3.3 #undef

这条指令用于移除一个宏定义。

语法：

#undef NAME

例子：

3.4 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些，我们需要一个数组能够大些。）

#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;
}

编译指令：

//linux环境下
gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c

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。

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：

2.多个分支的条件编译
#if 常量表达式
 //...
#elif 常量表达式
 //...
#else
 //...
#endif

如：

3.判断是否被定义
#if defined(symbol)
#ifdef symbol
#if !defined(symbol)
#ifndef symbol

如

需要注意的是，#if defined(symbol)和#ifdef symbol意思是一样的#if !defined(symbol)和#ifndef symbol意思也是一样的，只是写法不一样，另外结束的时候都需要加#endif

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//嵌套指令就不做演示，铁子们可以自己试一试

另外，条件编译还有一点需要注意的：会在预编译阶段进行过滤，只会保留满足条件的代码，其他的都会直接删除，这也是他们和if语句最大的差别

3.6 文件包含

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。

3.6.1 头文件被包含的方式：

1.本地文件包含

#include "file.h"

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。

ps:这个源文件所在目录就是指test.c所在的路径

2.库文件包含

#include <stdio.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。

VS环境的标准头文件的路径：

C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 12.0\VC\include
//这是VS2013的默认路径

看到这里有的老铁可能会有这样的想法：反之".h"后面也会到标准路径下查找。那我直接不管本地文件还是头文件全部用'' ''不就行了嘛，多省事。

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，所以还是建议各取所需，发挥各自所长。

3.6.2 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

解决措施：条件编译

每个头文件这么写：

#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
//头文件的内容
#endif //__TEST_H__

或者：

#pragma once

就可以避免头文件的重复引入。

四、其他预处理指令

#error
#pragma
#line
...

其他的预处理指令还有许多，这里就不一一介绍啦，感兴趣的铁子可以下去自己试一试。

总结

以上就是今天要讲的内容，希望铁子们可以有所收货。