一、程序的翻译环境和执行环境

程序从.c文件到.exe文件依赖的是翻译环境，而.exe以后的执行依赖的是执行环境

1.1翻译环境

在这个环境中，我们写的源代码被翻译成可执行的机器指令（二进制信息），也就是说，翻译环境将文本文件（.c文件）转换成二进制文件（.exe），当存在多个.c文件时，会单独生成它们对应的目标文件，最后再链接成一个可执行文件。

在上面的过程中，由编译器处理的过程叫做编译，有链接器处理的过程叫做链接。

• 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。

也就是说在链接时，链接器会将库函数的静态库与目标文件进行链接，这样我们才能使用库函数。

以之前的扫雷文件为例：

1.1.1编译的过程

编译又分为预编译（预处理）、编译、汇编三个过程。

预编译阶段大致分为以下操作：

1. #include头文件的包含，会将头文件中的内容拷贝一份
2. 删除注释，使用空格替换注释
3. #define替换操作

总之预编译阶段的操作为文本操作，操作结束以后生成.i的文本文件。

编译阶段则是将C语言代码翻译成汇编代码，进行的操作有语法分析、词法分析、语义分析、符号汇总等，翻译完成以后生成.s文件。

汇编阶段将汇编代码转化成二进制代码，并且形成符号表。

1.1.2链接的过程

在编译阶段完成以后会生成多个.obj的文件，在链接阶段，链接器进行合并段表、符号表的合并和符号表的重定位等操作，将多个.obj文件链接在一起，生成一个.exe可执行文件。

综上，上述的翻译过程如图所示：

1.2执行环境

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。

二、预处理（预编译）详解

2.1预定义符号

C语言中有很多已经定义好的符号，可以直接拿来使用：

__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

这些符号可以用来写日志文件。

2.2#define

#define在之前提到过，这里再进行一些补充。

由于#define是完全替换的，因此可以用来定义标识符：

#define MAX 1000
#define reg register          //为 register这个关键字，创建一个简短的名字
#define CASE break;case        //在写case语句的时候自动把 break写上。
//给函数创建一个简短的名字
#define DEBUG_PRINT printf("file:%s\tline:%d\t \ date:%s\ttime:%s\n" ,
                          __FILE__,__LINE__ , __DATE__,__TIME__ )   

由于#define是直接替换的，因此在定义标识符的时候，最好不要加标点，否则很容易出错，比如：

#define MAX 1000;
int main()
{
    int i;
    i = MAX;
    printf("%d",MAX);//替换以后相当于 printf("%d",1000;)，会出现语法错误
}

#define 还可以定义宏

#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（definemacro）。

下面是宏的申明方式：

#define name( parament-list ) stuff 其中的 parament-list 是一个由逗号隔开的符号表，它们可能出现在stuff中。
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。

对于一些比较简单的函数，可以用宏定义来实现：

#define ADD(a,b) a+b
#include<stdio.h>
int main()
{
    int i = 3, j = 4;
    int ret = ADD(i, j);
    printf("%d", ret);

    return 0;
}

这个宏接收参数 a和b以后 .预处理器就会将ADD(i+j)替换为i+j。
由于是直接替换，因此会存在一些问题：

比如在这个程序中4*ADD(i+j)会被直接替换为4*i+j，相比于函数传参，宏是直接完成替换，因此为了避免发生错误要加上括号：

#define ADD(a,b)  ((a)+(b))
#define DOUBLE(x) ( (x) + (x) )

#define 替换规则：

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定义的变量。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。

2.3#和##

#可以在宏定义中，把参数替换到字符串中：

#include<stdio.h>
#define PRINT(X) printf("the value of " #X " is %d\n", X)
int main()
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    PRINT(a);
    PRINT(b);
    
    return 0;
}

##可以将位于它两端的字符串合在一起

#include<stdio.h>
#define ADD_TO_SUM(num, value)  sum##num += value;
int main()
{
    int sum5 = 0;
    ADD_TO_SUM(5, 10);
    printf("%d", sum5);
    return 0;
}

sum##num会被合并成sum5

2.4宏和函数对比

宏一般用于执行简单的运算。
相比于函数，宏有以下的优势：

1. 函数的调用是有开销的。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。

宏也有以下的劣势：

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。

#define MALLOC(num, type) (type *)malloc(num * sizeof(type)) 
//使用
MALLOC(10, int);//类型作为参数
//预处理器替换之后：
(int *)malloc(10 * sizeof(int)); 

为了将宏和函数进行区分：一般把宏名全部大写 ，函数名不要全部大写。

2.4.1利用宏计算结构体中某变量相对于首地址的偏移量

之前已经学过计算结构体中某变量相对于首地址的偏移量了：

#include<stdio.h>
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;

}s;
int main()
{
    printf("%d\n", (char*)(&s.i) - (char*)(&s));

    return 0;
}

这次模拟实现宏offsetof来计算这个偏移量：

#include<stdio.h>
#define OFFSETOF(struct_name, member_name) (int)&(((struct_name*)0)->member_name)
struct S
{
    char c1;
    int a;
    char c2;
};
int main()
{
    //struct S s;
    printf("%d\n", OFFSETOF(struct S, c1));
    printf("%d\n", OFFSETOF(struct S, a));
    printf("%d\n", OFFSETOF(struct S, c2));
    return 0;
}

这个宏将0地址强制转换成结构体指针然后找到对应的结构体成员，由于起始地址是0，因此取地址以后得到的是相对于起始位置的偏移量，这个偏移量是个地址，因此最好再转换成int型，当然不转也可以。

2.5#undef移除宏定义

这条指令用于移除一个宏定义。

2.6条件编译

条件编译可以实现如果一个宏有定义，那么其中的代码就会参与编译，否则则不会参与编译：

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

        return 0;
}

常见的条件编译指令：

#if 常量表达式
 //... 
#endif 
//常量表达式由预处理器求值。

#define __DEBUG__ 1 
#if __DEBUG__ 
 //.. 
#endif

多个分支的条件编译：

#if 常量表达式
 //... 
#elif 常量表达式
 //... 
#else 
 //... 
#endif

判断是否被定义

#if defined(symbol) 
//如果symbol定义了，则中间的代码参与编译
#endif

#ifdef
//如果symbol定义了，则中间的代码参与编译
#endif


#if !defined(symbol) 
//如果symbol没有定义，则中间的代码参与编译
#endif

#ifndef
//如果symbol没有定义，则中间的代码参与编译
#endif

嵌套指令（类似于if语句嵌套）：

#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 

2.7文件包含

#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

#include "filename"

这种包含方式方式：编译器会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

#include <filename.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。

因此本地文件的查找方式比库文件的查找范围更广，因此库文件也可以使用本地文件的查找方式，但是这样查找效率会非常低，如果代码量多，那么编译时间就会很长。

如果头文件被重复包含，那么头文件就会被重复编译，效率非常低，为了解决这种情况可以使用条件编译指令：

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

或者

#pragma once
//头文件的内容

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