『C』程序的翻译执行
在ANSI C的任何一种实现中，存在两种不同的环境。第一种是翻译环境，在这个环境中，源代码被转换为可执行的机器指令。第二种是执行环境，它用于实际执行代码。标准明确说明，这两种环境不必位于同一台机器上。例如，交叉编译器就是在一台机器上运行，但它所产生的可执行代码运行于不同类型的机器上。
程序的翻译和执行
翻译
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。
每个目标文件由链接器捆绑在一起，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，而且他可以搜索程序猿客人的程序库，将需要的函数链接到程序中。
执行
程序执行过程：
- 首先，程序必须载入到内存中。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。
- 然后，程序的执行便开始。接着便执行main函数。
- 然后，开始执行程序代码。这个时候程序将使用一个运行时堆栈，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它们的值。
- 最后，终止程序，正常终止main函数，也有可能是意外终止。
程序的翻译流程
预处理
命令：gcc -E ×××.c -o ×××.i
主要工作：
拷贝头文件到×××.i。
去掉注释。
对宏进行展开。
处理条件编译。
代码演示
#include <stdio.h>#define N 5/*** 测试用例 ***/int main(){#if 1printf("hello, world! month: %d\n", N);
#elseprintf("hehe, world! month: %d\n", N);
#endifreturn 0;
}
预处理之后
835 # 943 "/usr/include/stdio.h" 3 4
836
837 # 2 "pretreatment.c" 2
838
839
840
841
842
843 int main(){844
845
846 printf("hello, world! month: %d\n", 5);
847
848
849
850
851 return 0;
852 }
前面800多行都是stdio.h头文件的展开。可以看到，预处理之后，注释被去掉了，宏也进行了展开，条件编译也被处理。
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。
代码演示
#include <stdio.h>int main(){printf("files: %s\tline: %d\n", __FILE__, __LINE__);printf("date: %s\t\ttime: %s\n", __DATE__, __TIME__);printf("stdc: %d\n", __STDC__);return 0;
}
运行结果
[sss@aliyun order]$ !gcc
gcc pre_define_symbol.c -o pre_define_symbol
[sss@aliyun order]$ ./pre_define_symbol
files: pre_define_symbol.c line: 5
date: May 5 2019 time: 19:59:18
stdc: 1
宏
语法：
#define constant 100
#define reg register
#define do_forever for(;;)
#define CASE break;case
#define DEBUG_PRINT printf("File: %s. Line: %d."\"x = %d, y = %d, z = %d",\__FILE__, __LINE__,\x, y, z)
宏常量
语法：
#define name stuff
代码示例
#include <stdio.h>#define N 10int main(){printf("hello, world! %d\n", N);return 0;
}
运行结果
[sss@aliyun order]$ gcc macro_constant.c -o macro_constant
[sss@aliyun order]$ ./macro_constant
hello, world! 10
宏函数
语法：
#define name(parament_list) stuff
其中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。如果两者存在任何空白，参数列表就会被解释为stuff的一部分。
代码演示
#include <stdio.h>#define MAX(a, b) a > b ? a : bint main(){int a = 1;int b = 2;printf("max: %d\n", MAX(a, b));return 0;
}
运行结果
[sss@aliyun order]$ gcc macro_function.c -o macro_function
[sss@aliyun order]$ ./macro_function
max: 2
宏函数的一个注意事项
代码演示
#include <stdio.h>#define SQUARE(X) X * Xint main(){int num = 3;printf("square(num + 1): %d\n", SQUARE(num + 1));return 0;
}
运行结果
[sss@aliyun order]$ !gcc
gcc macro_function.c -o macro_function
[sss@aliyun order]$ ./macro_function
square(num + 1): 7
可见宏函数只是简单的文本替换。
SQUARE(num + 1)
num + 1 * num + 1
#undef
用于移除一个宏。
语法：
#define N 10
#undef N
#和##
首先来看一段代码
#include <stdio.h>int main(){char* p = "hello, ""world!\n";printf("hello, ""world!\n");printf("%s", p);return 0;
}
运行结果
[sss@aliyun order]$ gcc test.c -o test
[sss@aliyun order]$ ./test
hello, world!
hello, world!
从这里，我们可以看出字符串是有自动连接的特点的。
#用法示例
#include <stdio.h>#define PRINT(FORMAT, VALUE)\printf("the value is "FORMAT"\n", VALUE);/*** #的作用，把一个宏参数编程对应的字符串 ***/
#define PRINT2(FORMAT, VALUE)\printf("the value of "#VALUE" is "FORMAT"\n", VALUE);int main(){int i = 10;PRINT("%d", 10);PRINT2("%d", i + 3);return 0;
}
运行结果
[sss@aliyun order]$ !gcc
gcc test.c -o test
[sss@aliyun order]$ ./test
the value is 10
the value of i + 3 is 13
##用法示例
#include <stdio.h>#define PRINT(FORMAT, VALUE)\printf("the value is "FORMAT"\n", VALUE);/*** #的作用，把一个宏参数编程对应的字符串 ***/
#define PRINT2(FORMAT, VALUE)\printf("the value of "#VALUE" is "FORMAT"\n", VALUE);/* * #的作用，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 */
#define ADD_TO_SUM(num, value) \sum##num += value;int main(){int i = 10;int sum5 = 0;PRINT("%d", 10);PRINT2("%d", i + 3);ADD_TO_SUM(5, 10);printf("sum5: %d\n", sum5);return 0;
}
运行结果
[sss@aliyun order]$ gcc macro_20190505.c -o macro
[sss@aliyun order]$ ./macro
the value is 10
the value of i + 3 is 13
sum5: 10
宏和函数
| 属性 | 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。 | 函数代码只出现在一个地方；每次使用这个函数时，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开销，相对慢一些。 |
| 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里，除非加上括号，否则临近操作符的优先级可能会产生不可预料的后果，所以建议宏在书写时多些括号。 | 函数参数只在函数调用的时候求值一次，它的结果传递给函数。表达式的求值结果更容易预测。 |
| 带有副作用的参数 | 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。 | 函数参数只在传参的时候求值一次，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，它就可以使用任何类型参数。 | 函数的参数是与类型有关的，如果函数的类型不同，就需要不同的函数，即使他们执行的任务是相同的。 |
| 调试 | 宏是不方便调试的。 | 函数是可以逐语句调试的。 |
| 递归 | 宏是不能递归的。 | 函数是可以递归的。 |
命令行定义
许多C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时，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很大，我们需要一个大些的数组。）
代码演示
#include <stdio.h>int main(){int arr[LEN];int i = 0;for(; i < LEN; ++i){arr[i] = i;}printf("The array is: \n");for(i = 0; i < LEN; ++i){printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");return 0;
}
运行结果
[sss@aliyun order]$ gcc -DLEN=10 command_line_define.c -o command_line_define
[sss@aliyun order]$ ./command_line_define
The array is:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
[sss@aliyun order]$ gcc -DLEN=5 command_line_define.c -o command_line_define
[sss@aliyun order]$ ./command_line_define
The array is:
0 1 2 3 4
条件编译
在编译一个程序的时候，我们如果要将一条语句编译或者放弃是很方便的。我们可以用条件编译指令。
代码演示
#include <stdio.h>
#define __DEBUG__int main(){int i = 0;int arr[10] = {0};for(; i < 10; ++i){arr[i] = i;#ifdef __DEBUG__printf("%d\n", arr[i]);#endif}return 0;
}
常见的条件编译指令
#if 常量表达式// ...
#endif/*** 多分支条件编译 ***/
#if 常量表达式// ...
#elif 常量表达式// ...
#else// ...
#endif/*** 判断symbol是否被定义 ***/
#if defined(symbol)
#ifdef symbol
#if !defined(symbol)
#ifndef symbol/*** 嵌套指令 ***/
#if defined(OS_UNIX)#ifdef OPTION1unix_version_option1();#endif#ifdef OPTION2unix_version_option2();#endif
#elif defined(OS_MSDOS)#ifdef OPTION2msdos_version_option2();#endif
#endif
文件包含
我们已经看到过，#include指令使另一个文件的内容被编译，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。
头文件包含方式
本地头文件包含
#include "×××.h"
该种包含方式，先在源文件所在目录下查找，找不到的话就到标准库文件所在路径进行查找。
库文件包含
#include <×××.h>
该种包含方式，直接去标准库文件所在路径进行查找，找不到报错。
Linux环境的标准头文件路径：
/usr/include
VS环境的标准头文件的路径：
C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 9.0\VC/include
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包含。
如何解决这个问题？
条件编译。
#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
// 头文件内容
#endif#pragma once
上面两种方法都可以避免头文件的重复包含。
其他预处理指令
#error
#pragma
#line
...
编译
命令：gcc -S ×××.i -o ×××.s
主要工作：
将预处理过的源代码文件转换为汇编代码。
演示
[sss@aliyun order]$ gcc -S hehe.i -o hehe.s
[sss@aliyun order]$ vim hehe.s
.file "pretreatment.c".section .rodata
.LC0:.string "hello, world! month: %d\n".text.globl main.type main, @function
main:
.LFB0:.cfi_startprocpushq %rbp.cfi_def_cfa_offset 16.cfi_offset 6, -16movq %rsp, %rbp.cfi_def_cfa_register 6movl $5, %esimovl $.LC0, %edimovl $0, %eaxcall printfmovl $0, %eaxpopq %rbp.cfi_def_cfa 7, 8ret.cfi_endproc
.LFE0:.size main, .-main.ident "GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-36)".section .note.GNU-stack,"",@progbits
汇编
命令：gcc ×××.s -o ×××.o
主要工作：将汇编代码变成二进制指令。
注意，×××.o还不能执行。
chmod +x ×××.o
加了权限也不能执行。
和可执行程序还差了一步链接。
演示
[sss@aliyun order]$ gcc -c hehe.s -o hehe.o
[sss@aliyun order]$ objdump -d hehe.ohehe.o: file format elf64-x86-64Disassembly of section .text:0000000000000000 <main>:0: 55 push %rbp1: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp4: be 05 00 00 00 mov $0x5,%esi9: bf 00 00 00 00 mov $0x0,%edie: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax13: e8 00 00 00 00 callq 18 <main+0x18>18: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax1d: 5d pop %rbp1e: c3 retq
[sss@aliyun order]$ chmod +x hehe.o
[sss@aliyun order]$ ll
total 124
-rw-rw-r-- 1 sss sss 184 May 5 19:44 hehe.c
-rw-rw-r-- 1 sss sss 16918 May 5 19:55 hehe.i
-rwxrwxr-x 1 sss sss 1528 May 6 09:21 hehe.o
-rw-rw-r-- 1 sss sss 501 May 6 09:15 hehe.s
[sss@aliyun order]$ ./hehe.o
-bash: ./hehe.o: cannot execute binary file
链接
把二进制指令转换成最终的二进制代码。
将多个源代码生成的目标文件×××.o链接才能得到最终的可执行程序。
例如：printf的定义在printf.c文件中，printf.c经过编译器得到目标文件需要加上C语言标准库提供的函数定义。
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