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C语言进阶篇 七.程序的编译和预处理_头文件在预处理阶段

头文件在预处理阶段

目录

程序的编译

预处理阶段

编译阶段

词法分析

语法分析

语义分析

中间语言生成

目标代码生成与优化

汇编阶段

链接阶段

预处理

#define

#,##和\

预定义宏

宏与函数的比较

条件编译

文件包含


程序的编译

首先看一个简单的程序,每位程序员入门的第一个程序,事实上简单的程序背后,编译器做了许多事才让字符串输出到了屏幕上。
编译器将我们写的.c和.h文件转换为可执行文件,做了四个步骤。
以Linux的GCC为例:
首先是预处理将hello.c等文件预编译成一个.i文件,然后是编译产生相应的汇编代码文件.s文件。
然后是汇编将汇编代码转变成机器可执行的指令,生成.o文件(目标文件)。
最后是这些目标文件(.o文件)链接起来得到最终的可执行文件(a.out)。
过程图如下:

预处理阶段

源代码文件hello.c和相关的头文件如stdio.h被预编译器cpp预编译成一个.i文件。
用命令-E(只进行预编译)。
预编译主要处理规则:
1.删除#define ,展开宏定义。
2.处理条件预编译指令,如#if,#ifdef,#elif,#else,#endif
3.处理#include预编译指令,将包含的头文件插入到指令的位置,递归进行,因为头文件可能包含了别的头文件。
4.删除注释//  和  /* */。
5.添加行号和文件名标识,以便调试时产生行号 和 编译错误或警告时显示行号。
6.保留#pragma编译器指令。

编译阶段

编译阶段就是把预编译生成的.i文件进行一系列的词法分析,语法分析,语义分析及优化后产生的相应的汇编代码文件(.s文件)(程序构建的核心步骤),现在版本的GCC预编译和编译被合并成一个步骤,用一个叫做cc1的程序来完成这两个步骤,指令为 -S。

词法分析

源代码程序被输入扫描器,扫描器将字符序列分割成一系列记号,记号一般分为:关键字,标识符,字面量(数字,字符串等)和特殊符号(加号,等号),识别记号的同时,还完成了别的工作,如,将标识符放到符号表,将数字,字符串常量放到文字表等,以备后面步骤使用。

语法分析

语法分析器将由扫描器产生的记号进行词法分析,从而产生语法树(采用上下文无关语法分析手段)。语法分析时,运算符的优先级和含义被确定,如果表达式不合法,编译器就在这个阶段报错。,例如a[index]=(4+index)*(2+6);

=被当做根节点,等号左边被当做左子树,右边则是右子树,,左子树的根是[],右子树的根是*,等等,树如下:

语义分析

由语义分析器分析在编译期能确定的语义,为静态语义,对应的动态语义只有在运行期能确定。

静态语义包括声明的类型匹配,类型转换,如浮点型表达式赋给整形变量时,发生的隐式类型转换,类型不匹配时,编译器会在这时报错。动态语义则在运行期报错,如将0做为除数。经过这个阶段语法树的表达式都被标识了类型,如下:

中间语言生成

现在编译器有多层次优化,在源码级会有一个优化过程,源代码优化器将整个语法树转换成中间代码,它是语法树的顺序表示。中间代码有三地址码和P-代码等,将上述语法树翻译成三地址码:

t1=2+6 

t2=index+4 

t3=t2*t1

a[index]=t3

优化程序将2+6计算出来,省去不必要的变量,然后优化后代码如下:

t1=index+4

t2=t1*8

a[index]=t2

目标代码生成与优化

上述产生中间代码的过程被分为编译器的前端,编译器后端则是将中间代码转换成目标机器代码。

编译器后端依赖于代码生成器和目标代码优化器,代码生成器将中间代码转换成目标机器代码,这个过程取决于不同机器(不同机器字长,寄存器,整数数据类型等可能不同),然后目标代码生成器对目标代码优化,比如选择合适寻址方式,使用位运算代替乘法运算,删除多余指令等。

对于同一个源文件,变量地址和函数地址可以确定,但是不同源文件就需要通过链接阶段来完成了。

汇编阶段

汇编过程较直接,汇编器将汇编代码转变为机器可以执行的指令,每一个汇编语句几乎对应一条机器指令,没有语法,语义,不用指令优化,直接调用汇编as就可以完成了。(指令是 -c)将.s文件翻译为.o(目标文件)。

链接阶段

每个源文件被编译成目标文件(.o),目标文件和库一起链接形成最终的可执行文件。链接的过程主要包括了地址和空间分配,符号决议和重定位等步骤。

例如在编译目标文件B时用到了目标文件A的全局变量,此时将目标地址先置成0,待A和B链接后,再把目标地址改成相应的地址,这个地址修正过程叫重定位。

预处理

所有的预处理器命令都是以井号(#)开头。

重要的预处理指令如下:

#define定义宏
#include包含一个源代码文件
#undef取消已定义的宏
#ifdef如果宏已经定义,则返回真
#ifndef如果宏没有定义,则返回真
#if如果给定条件为真,则编译下面代码
#else#if 的替代方案
#elif如果前面的 #if 给定条件不为真,当前条件为真,则编译下面代码
#endif结束一个 #if……#else 条件编译块
#error当遇到标准错误时,输出错误消息
#pragma使用标准化方法,向编译器发布特殊的命令到编译器中

#define

定义常量:

#define PI 3.14

#define STR "hello world"

定义表达式

例如定义求平方的宏:

#define SQR(x) ((x)*(x))

#define SQR (x) ((x)*(x))//错误 ,SQR被定义成(x) ((x)*(x))

#,##和\

把一个宏的参数转换为字符串常量使用 # 。在宏中使用的该运算符有一个特定的参数或参数列表。

例子:

 

##可以把位于它两边的符号合成一个符号。
例子:

 

如果宏太长,一个单行容纳不下,可使用宏延续运算符(\),前面两个例子都用了。

预定义宏

ANSI C 定义了许多宏。在编程中可以使用这些宏,但是不能直接修改这些预定义的宏。

描述
__DATE__当前日期,一个以 "MMM DD YYYY" 格式表示的字符串常量。
__TIME__当前时间,一个以 "HH:MM:SS" 格式表示的字符串常量。
__FILE__当前文件名的一个字符串常量。
__LINE__当前行号的一个整形常量。
__STDC__当编译器以 ANSI 标准编译时,则定义为 1。

例如:(VS2022不遵从ANSI标准。。。) 

宏与函数的比较

在原理上:宏被编译器在预处理阶段进行了替换,导致宏无法调试和代码长度变长,但这也让宏的速度比函数更快一丢丢,因为函数调用和返回都需要开销。

在参数上:宏的参数无需指定类型,一方面适用性更强,但是也不够严谨,对应函数参数类型固定,更加严谨。宏的参数都得加(),还有整个宏,避免操作符优先级产生问题。如果宏的参数有副作用,宏就可能有问题,函数则更安全些。

最后,宏不能递归,函数可以递归,宏和函数各有千秋吧。

条件编译

要控制语句是否编译可以用条件编译指令。

例如:

条件编译指令格式:

  1. 1.
  2. #if 常量表达式
  3. //...
  4. #endif
  5. //常量表达式由预处理器求值。
  6. 如:
  7. #define __DEBUG__ 1
  8. #if __DEBUG__
  9. //..
  10. #endif
  11. 2.多个分支的条件编译
  12. #if 常量表达式
  13. //...
  14. #elif 常量表达式
  15. //...
  16. #else
  17. //...
  18. #endif
  19. 3.判断是否被定义
  20. #if defined(symbol)
  21. #ifdef symbol
  22. #if !defined(symbol)
  23. #ifndef symbol
  24. 4.嵌套指令
  25. #if defined(OS_UNIX)
  26. #ifdef OPTION1
  27. unix_version_option1();
  28. #endif
  29. #ifdef OPTION2
  30. unix_version_option2();
  31. #endif
  32. #elif defined(OS_MSDOS)
  33. #ifdef OPTION2
  34. msdos_version_option2();
  35. #endif
  36. #endif

文件包含

包含头文件时可以用:

#include<filename.h>

#include"filename.h"

两种方式:两者不同处是前者是到系统指定目录取查找头文件,而后者则先从当前工作目录去查找。故引用库的头文件一般用前者,引用自己的头文件用后者。

从预处理我们知道预处理阶段会处理#include预编译指令,将包含的头文件插入到指令的位置,并且是递归进行。

为避免头文件的重复包含,可以在头文件下用条件编译指令:

  1. #ifndef __TEST_H__
  2. #define __TEST_H__
  3. //头文件的内容
  4. #endif   //__TEST_H__

或者用 #pragma once来避免头文件重复包含。

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