C语言编译链接与预处理指令

发布时间：2024年01月17日

目录

C语言编译与链接（暂简略）

翻译环境

编译过程

预处理过程

编译过程

词法分析

语法分析

语义分析

生成符号汇总

汇编

链接过程

运行环境

C语言预处理（部分）

预定义符号

#define定义常量

#define定义宏

宏命名约定

宏替换规则

宏与函数对比

#与##运算符

#运算符

##运算符

#undef预处理指令

命令行定义（Linux）

条件编译

头文件包含指令#include

嵌套文件包含

声明

C语言编译与链接（暂简略）

在ANSIC的任何一种实现中，存在两个不同的环境

  1. 翻译环境：源代码被转换为可执行的机器指令
  2. 运行环境：实际执行代码

翻译环境

翻译环境是由编译和链接两个过程组成的，而其中的编译过程可以分解成：预处理（也称预编译）、编译、汇编三个过程

当一个C语言项目（工程）中包含多个.c为后缀的源文件时，将执行下面的步骤生成可执行程序

  1. 多个.c文件单独经过编译器编译处理生成对应的目标文件（目标文件也是二进制文件）
在Windows环境下的目标文件的后缀是 .obj ，Linux环境下目标文件的后缀是 .o
  1. 多个目标文件和链接库?起经过链接器处理生成最终的可执行程序。
链接库是指运行时库(它是支持程序运行的基本函数集合)或者第三方库

编译过程

预处理过程

在预处理阶段，源文件和头文件会被处理成为.i为后缀的文件，预处理阶段主要处理那些源文件中#开始的预编译指令

📢

由于VS2022细节隐藏，无法实质使用VS2022进行观察，具体细节待补充，目前只有文件讲解

预处理过程处理规则：

  1. 将所有的 #define 删除，并展开所有的宏定义
  2. 处理#include预编译指令，将包含的头文件的内容插入到该预编译指令的位置。这个过程是递归进行的，即被包含的头文件也可能包含其他文件
源代码中：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>

#define MAX 100

int main()
{
    printf("%d\n", MAX);

    return 0;
}

预处理后的代码：

int main()
{

    printf("%d\n", 100);
    
    return 0;
}
  1. 处理所有的条件编译指令，如： #if、#ifdef、#elif、#else、#endif
  2. 删除所有的注释（本质是将注释替换为空格）
  3. 添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等
  4. 保留所有的#pragma的编译器指令，编译器后续会使用

经过预处理后的.i文件中不再包含宏定义，因为宏已经被展开。并且包含的头文件都被插入到.i文件中。当需要查看宏定义或者头文件是否包含正确的时候，可以查看预处理后的.i文件来确认

编译过程

编译过程就是将预处理后的?件进行一系列的：词法分析、语法分析、语义分析及优化，生成相应的汇编代码文件以及符号汇总

📌

编译过程本质：将C语言代码翻译成汇编代码

词法分析

将源代码程序被输入扫描器，扫描器的任务就是简单的进行词法分析，把代码中的字符分割成一系列的记号（关键字、标识符、字面量、特殊字符等）

例如对于以下代码：
array[index] = (index + 4) * (2 + 6);

进行词法分析后得到：

记号

类型

array

标识符

[

左方括号

index

标识符

]

右方括号

=

赋值

(

左圆括号

index

标识符

+

加号

4

数值

)

右圆括号

*

乘号

(

左圆括号

2

数值

+

加号

6

数值

)

有圆括号

语法分析

在语法分析过程中，语法分析器将对扫描产生的记号进行语法分析，产生语法树。这些语法树是以表达式为节点的树

语义分析

由语义分析器来完成语义分析，即对表达式的语法层面分析。编译器所能做的分析是语义的静态分析。静态语义分析通常包括声明和类型的匹配，类型的转换等。这个阶段会报告错误的语法信息

生成符号汇总

对文件中的每个函数生成对应的符号

add.c中
int add(int x, int y)
{
    return (x + y);
}

test.c中

extern int add(int x, int y);

int main()
{
    return 0;
}

对于上面的实例代码中，在编译过程中将生成两张符号汇总表

对于add.c的符号汇总表

add

对于test.c的符号汇总表

add

main

汇编

在汇编过程中，汇编器是将汇编代码转转变成机器可执行的指令，每一个汇编语句基本上都对应一条机器指令。就是根据汇编指令和机器指令的对照表一一的进行翻译，也不做指令优化，并且此过程会将在编译过程中生成的符号汇总转化成符号表

add.c中
int add(int x, int y)
{
    return (x + y);
}

test.c中

extern int add(int x, int y);

int main()
{
    return 0;
}

对于上面的实例代码中，在汇编过程中将两张符号汇总表转化成符号表

对于add.c的符号汇总表

add（函数名）

0x1000（函数有效地址）

对于test.c的符号汇总表

add（由声明外部符号引出的函数名）

0x0000（无效地址）

main（函数名）

0x2000（函数有效地址）

链接过程

链接过程主要包括：地址和空间分配，符号决议和重定位等过程

链接解决的是?个项目（工程）中多文件、多模块之间互相调用的问题

add.c中
int add(int x, int y)
{
    return (x + y);
}

test.c中

extern int add(int x, int y);

int main()
{
    int ret = add(3, 5);
    printf("%d\n", ret);

    return 0;
}

因为每个源文件都是单独经过编译器处理生成对应的目标文件，即test.c文件经过编译器处理生成test.o，add.c文件经过编译器处理生成add.o文件

重定位：在 test.c 文件中每一次使用 add 函数的时候必须确切的知道 add的地址，但是由于每个?件是单独编译的，在编译器编译 test.c 的时候并不知道 add 函数的地址，所以暂时把调用 add 的指令的目标地址搁置（即符号表中的无效地址）。等待最后链接的时候由链接器根据引用的符号 add 在其他模块中查找 add 函数的地址，然后将 test.c 中所有引用到add 的指令重新修正，让他们的目标地址为实际存在的 add 函数的地址

📌

如果在连接过程中找不到对应的函数地址，即无效地址无法由有效地址替代时，将会报出“未定义的外部符号”类似的错误

运行环境

  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）（也称为函数栈帧），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?直保留他们的值。
  4. 终止程序。正常终止main函数或者意外终止main函数

C语言预处理（部分）

预定义符号

在C语言中，设置了?些预定义符号，可以直接使用，预定义符号同样在预处理期间处理，直接进行替换操作

__FILE__      //进?编译的源?件 
__LINE__     //?件当前的?号 
__DATE__    //?件被编译的?期 
__TIME__    //?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（VS2022不遵循）

代码实例

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>

int main()
{

    printf("文件位置:%s\n当前代码所在行数：%d\n代码编译日期：%s\n代码编译时间：%s\n", __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__);

    return 0;
}
输出结果：
文件位置:E:\C_language\c_-language\test\test.c
当前代码所在行数：8
代码编译日期：Jan 16 2024
代码编译时间：20:34:25

#define定义常量

使用方法
#define name content

📌

#define定义中content后面不要带;避免不必要的错误

📌

#define定义的表达式在替换过程中不会进行计算

#define PLUS 50 + 5
//在替换过程中，不会替换为50 + 5之后的值55，而是直接替换为50 + 5

代码实例

//#define定义常量
#define MAX 100 //定义一个MAX常量，其值为100
#define RES register //为register关键字定义一个更简短的名字
#define cycle_forever for(;;) //为死循环的实现定义一个只管的符号
#define CASE break;case //在case语句后自动加上break，使用CASE:时，将替换为break;case:
//如果定义的content过?，可以分成多行写，除了最后一?外，每行的后?都加一个反斜杠(续?符)
#define DEBUG_PRINT printf("file: %s\tline:%d\t \
                            date:%s\ttime:%s\n", \
                           __FILE__,__LINE__, __DATE__,__TIME__)

#define定义宏

#define机制包括了?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）

使用方法
#define name( parament-list ) content
其中的 parament-list是?个由逗号隔开的符号表（类似于函数参数列表，但是没有类型书写和限制，只有符号），它们可能出现在content中

📌

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content的一部分

📌

在使用#define定义宏时，需要考虑到宏content部分运算符、parament-list部分的运算符以及使用宏时邻近的运算符的优先级和表达式的副作用

表达式副作用：运算符本身不仅仅是计算出两个操作数的运算结果，而是既会计算出结果，也会改变本身操作数的值，例如 a + 1，此时只是计算出 a变量加上1之后的值，但是 a++不但会计算出 a + 1的值，还会改变 a本身的值

代码实例

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>

//#define MAX 100
#define DOUBLE(x) x * x //定义一个宏实现一个数值的平方，未考虑到宏定义表达式不计算以及parament-list部分的运算符和宏定义content部分的运算符优先级
#define DOUBLE1(y) (y) * (y) //考虑到宏定义中的表达式不计算以及parament-list部分的运算符和宏定义content部分的运算符优先级
#define DOUBLE2(z) (z) * (z) + 1 //未考虑到宏定义content部分的优先级与宏使用宏时邻近的运算符的优先级
#define DOUBLE3(n) ((n) * (n) + 1) //考虑到宏定义content部分的优先级与宏使用宏时邻近的运算符的优先级

#define MAX(a, b) (((a) > (b)) ? (a) : (b)) //定义宏求两个数之间的较大数

int main()
{
    //运算符优先级
    printf("%d\n", DOUBLE(5));
    printf("%d\n", DOUBLE(5 + 1));//因为宏定义中的表达式5 + 1不会进行计算，在代入宏中时，将直接替换，即5 + 1 * 5 + 1，而不是(5 + 1) * (5 + 1)
    printf("%d\n", DOUBLE1(5 + 1));//正常输出36，即(5 + 1) * (5 + 1)
    printf("%d\n", 2 * DOUBLE2(5));//直接替换时为2 * (5) * (5) + 1，而不是2 * ((5) * (5) + 1)
    printf("%d\n", 2 * DOUBLE3(5));//正常输出52，即2 * ((5) * (5) + 1)

    putchar('\n');

    //表达式副作用
    int a = 3;
    int b = 5;

    int ret = MAX(a, b);//直接比较没有副作用
    
    printf("%d\n", ret);
    //不改变a和b中的值
    printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", b);
    
    int ret1 = MAX(a++, b++);//存在使操作数本身发生改变的副作用

    printf("%d\n", ret1);
    //a和b中的值发生改变
    //(((a++) > (b++)) ? (a++) : (b++))
    //因为是后置++，故先使用再+1，故有3 > 5，此时再改变a和b中的值，此时a为4， b为6
    //因为三目操作符表达式的值即为满足条件的表达式的值，故即为b的值6，使用完b后进行++。此时b中的值为7，但是a++表达式并未计算，故a还是4
    //故此时a为4，b为7
    printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", b);

    return 0;
}
输出结果：
25
11
36
51
52

5
3
5
6
4
7

宏命名约定

  • 把宏名全部大写
  • 函数名不要全部大写

👋

存在部分例外，例如宏offsetof

宏替换规则

在程序中扩展#define定义符号和宏时，需要涉及下面的步骤。

  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

📌

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

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

代码实例

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>

#define MAX 100

int main()
{
    printf("MAX is %d\n", MAXN);//由于MAXN在字符串常量"MAX is %d\n"中，故不会被替换为100

    return 0;
}
输出结果：
MAX is 100

宏与函数对比

在C语言中，宏通常被用于执行简单的计算，例如找两个数中的较大数

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

函数实现
int max(int a, int b)
{
    return ((a > b) ? a : b);
}
  • 上面两种方式比较中宏的优势：
  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?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. 宏与类型无关。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。而宏可以适用于整型、长整型、浮点型等可以用 > 来比较的类型。
  • 上面两种方式比较中宏的劣势：

1. 每次使用宏的时候，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. 宏没法调试，因为在预编译过程中已经发生了替换

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，导致程容易出现错误

宏可以做到函数做不到的事情：

  • 宏的参数可以为类型
#define MALLOC(num, type) (type*)malloc(num, sizeof(type))

MALLOC(10, int);//int类型名作为参数
替换后为
(int*)malloc(10, sizeof(int))

代码实例
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>

#define MALLOC(num, type) (type*)malloc(num, sizeof(type))

int main()
{
    int* p = MALLOC(10, int);
    assert(p);

    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        p[i] = i;
        printf("%d ", p[i]);
    }

    return 0;
}

属性

#define定义宏

函数

代码长度

每次使用时，宏代码都会被插入到程序中。除了非常小的宏之外，程序的长度会大幅度增长

函数代码只出现一个地方，而每次使用函数时，都调用同一份代码

执行速度

更快

存在函数的调用和返回的额外时间和空间开销，所以相对可能慢一些

操作符优先级

宏参数的求值是在所有周围表达式的上下文环境中，除非加上括号改变优先级，否则运算符优先级可能影响最后的计算结果

函数参数只在函数调用的时候进行求值，并且进行一次，求值后的结果传递给函数，表达式的结果更容易预测

带有副作用的参数

参数可能被替换到宏中的多个位置，如果宏的参数被多次使用，带有副作用的参数可能导致最后结果出错

函数参数只在传参时计算一次，结果更容易控制

参数类型

宏的参数与类型无关，只要对参数的操作是合法的，则可以使用任何参数类型

函数的参数与类型有关，如果参数的类型不同，则需要不同的函数，即使函数执行的任务不同

调试

宏无法调试

函数可以逐语句进行调试

递归

宏无法递归

函数可以递归

#与##运算符

#运算符

#运算符将宏的一个参数转换为字符串字面量。它仅允许出现在带参数的宏的替换列表中

💡

#运算符所执行的操作可以理解为“字符串化”

代码实例

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>

#define PRINT(n, type) printf(#n" = "type"\n", n) //printf语句支持有多个""的字符串构成一句字符串，例如printf("hello world");相当于printf("hello""world");

int main()
{
    int a = 10;
    int b = 10;
    float f = 10.5f;

    //常规做法
    printf("a = %d\n", a);
    printf("b = %d\n", b);
    printf("f = %f\n", f);

    //使用#运算符与#define定义宏
    PRINT(a, "%d");
    PRINT(b, "%d");
    PRINT(f, "%f");

    return 0;
}
输出结果：
a = 10
b = 10
f = 10.500000
a = 10
b = 10
f = 10.500000

##运算符

## 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。 ## 被称为记号粘合

代码实例

//求int类型数据的两个数中较大数
int int_max(int x, int y)
{
    return (x>y?x:y);
}

//求float类型数据的两个数中较大数
float float_max(float x, float y)
{
    return (x>y? x:y);
}

//使用##运算符以及#define定义宏
#define GENERIC_MAX(type)\
type type##_max1(type x, type y)\
{\
    return (x > y ? x : y);\
}

GENERIC_MAX(int)
GENERIC_MAX(float)

代码实例

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>

//求int类型数据的两个数中较大数
int int_max(int x, int y)
{
    return (x > y ? x : y);
}

//求float类型数据的两个数中较大数
float float_max(float x, float y)
{
    return (x > y ? x : y);
}

#define GENERIC_MAX(type)\
type type##_max1(type x, type y)\
{\
    return (x > y ? x : y);\
}

GENERIC_MAX(int)
GENERIC_MAX(float)

int main()
{

    int a = 10;
    int b = 20;
    float f = 10.5f;
    float f1 = 20.5f;

    //两个类型写两个函数
    int ret_i = int_max(a, b);
    float ret_f = float_max(f, f1);
    printf("%d\n", ret_i);
    printf("%f\n", ret_f);

    //##运算符和#define定义宏，只需要写一个函数
    ret_i = int_max1(a, b);
    ret_f = float_max1(f, f1);
    printf("%d\n", ret_i);
    printf("%f\n", ret_f);

    return 0;
}
输出结果：
20
20.500000
20
20.500000

#undef预处理指令

作用：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。

代码实例

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>

#define MAXNUM 100

int main()
{
    printf("%d\n", MAXNUM);
#undef MAXNUM //移除MAXNUM定义
    //printf("%d\n", MAXNUM);//未重新定义之前不可以再使用
#define MAXNUM 100 //重新定义可以使用
    printf("%d\n", MAXNUM);

    return 0;
}
输出结果：
100
100

命令行定义（Linux）

许多C的编译器提供了?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，我们需要一个数组能够大）

#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;
}

使用gcc命令

gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c
//-D ARRAY_SIZE=10为ARRAY_SIZE指定大小

条件编译

所谓条件编译，即满足指定条件时进行编译，不满足时不编译

常见的条件编译指令

1.
#if  常量表达式
        //语句
#endif
//常量表达式由预处理器求值，并且不能使用变量，因为变量在预处理过程中并没有具体值
如：
#define __DEBUG__ 1
#if __DEBUG__ //如果DEBUG值为非0值，则编译语句，为0则不编译
        //语句
#endif

#if 1==2 //1==2为假，不编译语句
        //语句
#endif

2.多个分?的条件编译（只会走其中一个条件，与if-else-if逻辑相同）
#if 常量表达式
        //语句
#elif 常量表达式
        //语句
#else
        //语句
#endif

3.判断是否被定义
#if defined(symbol) //定义了symbol就编译，否则不编译
        //语句
#endif

#ifdef symbol //定义了symbol就编译，否则不编译
        //语句
#endif

#if !defined(symbol) //未定义symbol就编译，否则不编译
        //语句
#endif 

#ifndef symbol //未定义symbol就编译，否则不编译
        //语句
#endif

4.嵌套指令
#if defined(OS_UNIX)//定义了OS_UNIX则编译if内的内容
        #ifdef OPTION1 //定义了OPTION1，则编译
                unix_version_option1();
        #endif
        #ifdef OPTION2 //定义了OPTION2，则编译
                unix_version_option2();
        #endif
#elif defined(OS_MSDOS)//定义了OS_UNIX则编译elif内的内容
        #ifdef OPTION2 //定义了OPTION2，则编译
                msdos_version_option2();
        #endif
#endif

头文件包含指令#include

双引号""引用的头文件查找策略：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

双箭头<>引用的头文件查找策略：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

📌

对于库文件也可以使用""的形式，但是这样做查找的效率就低些，因为库文件一般都不在源文件所在目录，但是有需要再原文件所在目录进行查找，浪费一定的时间，并且这样也不容易区分是库文件还是本地文件

嵌套文件包含

在使用#include指令时，预处理器先删除#include，并用包含文件的内容替换。如果一个头文件被包含10次，那就实际被编译10次，如果重复包含，对编译的压力就比较大

可以使用条件编译防止头文件被多次包含

//头文件中的#ifndef/#define/#endif用于防止头文件被重复引入
#ifndef __TEST_H__//在第二次之后，查找发现文件中定义了__TEST_H__，则不进行编译后面的语句
#define __TEST_H__//在原来的头文件中第一次未定义__TEST_H__，则会编译本条语句以及头文件的内容
//头?件的内容 
#endif   //__TEST_H__

或者
#pragma once

声明

目前内容仅为一小部分，日后待补充

文章来源:https://blog.csdn.net/m0_73281594/article/details/135637612
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