C语言编译预处理技术一本道来

编译＆＆预处理.png

一个.C程序，从人懂到计算机懂的流程

编译流程.png

分别简述

预编译(不会去报错，没有真正的到达编译环境)

  • 处理所有的注释，以空格代替
  • 将所有的#define删除，并且展开所有的宏定义
  • 处理条件编译指令#if，#ifdef，#elif，#else，#endif
  • 处理#include，展开被包含的文件
  • 保留编译器需要的#pragma指令

预处理指令(gcc)

gcc -E file.c -o file.i

判官编译（进行词法和语法分析）

  • 对预处理文件进行词法与语法分析，语意分析
    • 词法分析主要分析关键字，标识符，立即数等是否合法
    • 语法分析主要分析表达式是否遵循语法规则
    • 语义分析在语法分析的基础上进一步分析表达式是否合法
  • 分析结束后进行代码优化生成相应的汇编文件

编译指令

gcc -S file.c -o file.s

汇编

  • 汇编器将汇编代码转变为机器可以执行的指令
  • 每个汇编命令几乎都对应着一条机器指令

汇编指令：

gcc -c file.s -o file.o

链接器的意义

  • 调用操作系统里面内置一些动态连接库

总结

  • 编译器将编译工作分为三步预处理，编译，汇编
  • 连接器的工作是把各个独立的模块连接为可执行程序
  • 静态连接在编译期完成，动态连接在运行期完成

宏定义与使用分析

定义宏常量

  • #define定义宏常量可以出现在函数的任何地方
  • #define从本行开始，之后的代码都可以使用这个宏常量

宏表达式

  • #define表达式给人函数调用的假象，但是并不是函数
  • #define表达式可以比函数更加强大
  • #define表达式比函数更容易出错

容易出错的宏表达式

#define SUM(a,b)( (a)+(b)）//不加括号会产生细节错误

void main()

{

    int a=3,b=4;

    int i=SUM(a,b)*SUM(a,b);

}

结果为49

如果我们写成

#include<stdio.h>
#define SUM(a,b) (a)+(b)//不加括号会产生细节错误
void main()
{
    int a=3,b=4;
    int i=SUM(a,b)*SUM(a,b);
    printf("%d\n",i);
}

结果为19
压死程序的最后一个括号

产生错误，我们要分析他的缘由，通过预处理命令得到预处理结果，我们会发现程序变成:

void main()
{
    int a=3,b=4;
    int i=(a)+(b)*(a)+(b);
    printf("%d\n",i);
}

很显然，宏函数只是无脑替换.所以，宏函数虽好，可不要贪用哦

好用的宏表达式

求数组的个数

#define DIM(array)(sizeof(array)/sizeof(*array))

这样一个宏解决函数解决不了的问题

最佳示例

#include<stdio.h>
#define MIN(b,c)((b)<(c)?(b):(c))
int main()
{
    int a=2,b=5;
    printf("%d\n",MIN(a++,b));
    return 0;
}

答案为３，我们通过编译预处理，就知道为什么了

最不像C语言的C语言

#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#define MALLOC(type,n) (type*)malloc(sizeof(type)*n)
#define FOREACH(b,e) for(i=b;i<e;i++)
void main()
{
    int i=0;
    int a[]={1,2,3,4,5};
    int *p=MALLOC(int,5);
    FOREACH(0,5)
    {
        p[i]=a[i];
    }
    FOREACH(0,5)
    {
        printf("%d\n",p[i]);
    }
        
}

这个例子主要表达了宏的作用

宏表达式与函数的对比

  • 宏表达式在预编译期被处理，编译器不知道宏表达式的存在
  • 宏表达式用“实参”完全代替形参，不进行任何运算
  • 宏表达式没有任何的“调用”开销(具体在讲到函数时候，在讲)
  • 宏表达式不能出现递归调用

内置的宏

宏 含义 示例
__FILE__ 被编译的文件名 file1.c
__LINE__ 当前行号 25
__DATE__ 编译的时间日期 Jan 31 2017
__TIME__ 编译时的时间 17:01:01
__STDC__ 标准Ｃ １

最佳实践

宏日志

#include<stdio.h>
#include<time.h>
#define LOG(s) do                                                          \
{                                                                          \
    time_t t;                                                              \
    struct tm* ti;                                                         \
    time(&t);                                                              \
    ti=localtime(&t);                                                      \
    printf("%s,%s:%d %s\n",asctime(ti),__FILE__,__LINE__,s);               \
}while(0)
void main()
{
    LOG("ENTER the main");
    
}

这个可以直接放在一个头文件里面当做库来用，当然还可以优化加入一些自定义的东西.

条件编译使用分析

if...#else...#endif,,,在编译期之前就已经处理好了

  • 条件编译的行为类似于C语言中的if...else...
  • 条件编译是预编译指示指令，用于控制是否编译某段代码

简单示例

#include<stdio.h>
#define D 1
int main()
{
#if(D==1)
    printf("D==1\n");
#else
    printf("D!=1\n");
#endif
}

条件编译的用处

判断头文件中是否有相同的变量

程序１global .h

#ifndef _GLPBAL_H_
#define _GLPBAL_H_
int global = 10;
#endif

程序２test.h

#include <stdio.h>
#include "global.h"

const char* NAME = "Hello world!";

void f()
{
    printf("Hello world!\n");
}

程序３test.c

#include <stdio.h>
#include "global.h"

const char* NAME = "Hello world!";

void f()
{
    printf("Hello world!\n");
}

头文件global.h调用了两次，是不是重复调用呢?很显然，我们通过条件编译技术，防止了重复调用。

条件编译的意义

  • 条件编译使得我们可以按照不同的条件编译不同的代码段
  • if...#else,,#endif被预编译器处理，而if..else语句被编译器处理，必然被编译进入目标代码
  • 实际工程中条件编译主要用于以下两种情况：
    • 不同的产品线公用一份代码
    • 区分编译产品的调试版和发布版

最佳示例,区分编译产品的调试版和发布版

#include <stdio.h>

#ifdef DEBUG
    #define LOG(s) printf("[%s:%d] %s\n", __FILE__, __LINE__, s)
#else
    #define LOG(s) NULL
#endif

#ifdef HIGH
void f()
{
    printf("This is the high level product!\n");
}
#else
void f()
{
}
#endif

int main()
{
    LOG("Enter main() ...");
    
    f();
    
    printf("1. Query Information.\n");
    printf("2. Record Information.\n");
    printf("3. Delete Information.\n");
    
    #ifdef HIGH
    printf("4. High Level Query.\n");
    printf("5. Mannul Service.\n");
    printf("6. Exit.\n");
    #else
    printf("4. Exit.\n");
    #endif
    
    LOG("Exit main() ...");
    
    return 0;
}

同一份代码我们通过 DEBUG,或者ＨＩＧＨ，ＬＯＷ来控制,不同的版本.

小结

  • 通过命令行能够定义宏
  • 条件编译可以避免重复包含头文件
  • 条件编译是在工程中开发中可以去边不同产品线的代码
  • 条件编译可以定义产品的发布版和调试版

#include的困惑

  • #include的本质是将已经存在的文件内容嵌入到当前文件中
  • #include的间接包含同样会产生嵌入文件内容的动作

当然这一切动作都是在编译预处理之前完成的

#error和#line

# error

  • #error用于生成一个编译错误的消息，并停止编译
  • 用法
#error message
注：message不需要用双引号包围

最佳实例

#include<stdio.h>
int main()
{
    #ifndef COMMAND
    #warning you have not dingYi COMMAND
    #error No COMMAND
    #endif
    printf("%s\n",COMMAND);
}

#line

用法一

  • #line用于强制指定新的行号和编译文件名，并对源程序的代码从新编号

#include<stdio.h>
#line 14 "hello.c"
void f()
{
    return 0;
}
void main()
{
    f();
}

报错信息

ello.c: In function ‘f’:
hello.c:16:9: warning: ‘return’ with a value, in function returning void

这里将line所在的行号改为14行,所以return 0为16行

用法二

我们也可以用line来指定是谁写的

格式

#line 1 "傻帽写的"

#的本质是重定义LINE和FILE

/#error编译指示字用于自定义程序员特有的编译错误消息

类似的，#warning用于生成编译警告信息，不会停止编译

#pragma预处理分析

  • #pragma是编译器指示字，用于指示编译器完成一些特定的操作
  • #pragma说定义的很多指示字是编译器和操作系统独有的
  • #pragma在不同的编译器将是不可移植的
  • 一般用法 #pragma parameter(不同的parameter参数语法有不同的意义)

pragma message

  • message参数在大多数的编译器中都有相似的实现
  • message参数在编译输出消息到编译输出窗口中
  • message可用于代码的版本控制

最佳实例

#include<stdio.h>

#if defined ANDROID20
    #pragma message("the version is 20..")
    #define VERSION "ANDROID20"
#else
    #pragma message("hehe")
#endif

int main()

{

    printf("%s,\n",VERSION);

    return 0;

}

#pragma pack

  • 什么是内存对齐

    • 不同类型的数据在内存中按照一定的规则排列；而不是顺序的一个接一个的排放，这就是对齐

  • 为什么需要内存对齐？

    • CPU对内存的读取不是连续的，而是分层块读取的，块的大小只能是1,2,4,8,16字节
    • 当读取操作的数据未对齐，则需要腾出总线周期来访问内存，因此性能会大打折扣
    • 某些硬件平台只能从规定的地址处取某些特定类型的数据，否则抛出异常

  • pragma pack能够改变编译器的默认对齐方式

    • #pragma pack(2)
struct Test1
{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
}
#pragma pack()

  • struct 占用的内存大小

    • 第一个成员起始于0的偏移处

    • 每个成员按其类型大小和指定对齐参数n中较小的一个进行对齐

      • 偏移地址和成员占用大小均需对其
      • 结构体成员的对齐参数为其所有成员使用的对齐参数的最大值

    • 结构体总长度必须为对齐参数的整数倍

最佳演算

演算.png

从图中可以看出，一开始char c1起始位置为０，大小为１。第二个是short占2个字节，所以第一个块分配完成，第二个块从c2开始，但是，i的大小为4所以，第二个块剩余部分无法填充，只能开第三个块.三个块的大小就是3*4=12 个字节

如果我们把程序换下位置

#include<stdio.h>
struct S1{
        char c1;
        char s;
        short c2;
        int i;
};
int main(){
        struct S1 s1;
        printf("%d\n",(int)sizeof(struct S1));
        return 0;
}

大小就变成8个字节

最佳示例

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)
struct S1
{
    short a;
    long b;
};
struct S2
{
    char c;
    struct S1 d;
    double e;
};
#pragma pack()
int main()
{
    struct S2 s2;
    
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));

    return 0;
}

注意

gcc没有八个字节对齐

#和##运算符使用解析

  • #预处理指令开始指令
  • #运算符号用于在编译期将宏参数转换为字符串

重要技巧点

  • 转化成字符串的函数
#include<stdio.h>
#define CONVERS(x) #x
int main()
{
    printf("%s\n",CONVERS(helloworld!));
    printf("%s\n",CONVERS(100));
    return 0;
}

输出的结果为hello world和100

  • #运算符在宏中的妙用
#include<stdio.h>
#define CALL(f,p) (printf("CALL function %s\n",#f),f(p))
int square(int n)
{
    return n*n;
}
int f(int x)
{
    return x;
}
void main()
{
    printf("1.%d\n",CALL(square,4));
    printf("2.%d\n",CALL(f,10));
}

##运算符用于在编译期沾粘两个符号

#include<stdio.h>
#define NAME(n) name##n
int main()
{
    int NAME(1);
    int NAME(2);
    NAME(1)=1;
    NAME(2)=2;
    printf("%d\n",NAME(1));
    printf("%d\n",NAME(2));
    return 0;
}

编译预处理后NAME(1)就变成NAME1,NAME(2)就变成NAME2

最佳用法

利用##定义结构类型

超偷懒

 #include<stdio.h>
#define STRUCT(type) typedef struct _tag_##type type;\
struct _tag_##type

STRUCT(Student)
{
    char * name;
    int score;
};
void main()
{
    Student s1;
    s1.name="hehe";
    s1.score=10;
    printf("%s\n",s1.name);
    printf("%d\n",s1.score);
}

相比

typedef struct Student 
{
    char * name;
    int score;
}Student;

简单好多

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