C 19-25 编译及预编译

19 编译过程简介

初识编译器

你不知道的事......

预编译

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

预处理指令示例：gcc -E file.c -o file.i

编译

• 对预处理文件进行词法分析，语法分析和语义分析
  • 词法分析：分析关键字，标示符，立即数等是否合法
  • 语法分析：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代码文件

编译指令示例：gcc -S file.i -o file.s

汇编

• 汇编器将汇编代码转变为机器的可以执行命令
• 每条汇编语句几乎都对应一条机器指令

汇编指令示例：gcc -c file.s -o file.o

编程实验

• 源码单步编译示例

/*

    This is a header file.
    
*/


char* p = "Hello";

int i = 0;

#include "19-1.h"

// Begin to define macro

#define GREETING "Hello world!"

#define INC(x) x++

// End

int main() {   
    p = GREETING;
    INC(i);
    return 0;
}

小结

• 编译过程分为预处理，编译，汇编和链接四个阶段
  • 预处理：处理注释，宏以及已经以#开头的符号
  • 编译：进行词法分析，语法分析和语义分析等
  • 汇编：将汇编代码翻译为机器指令的目标文件

20 链接过程简介

问题：工程中的每个C语言源文件被编译后产生目标文件，这些目标文件如何生成最终的可执行程序？

链接器的主要作用是把各个模块之间相互引用的部分处理好，使得各个模块之间能够正确的衔接。

静态链接

• 由编译器在链接时将库的内容直接加入到可执行程序中

Linux下静态库的创建和使用

• 编译静态库源码：gcc -c lib.c -o lib.o
• 生成静态库文件：ar -q lib.a lib.o
• 使用静态库编译：gcc main.c lib.a -o main.out

编程实验

• 静态链接示例

//slib.c
char* name()
{
    return "Static Lib";
}


int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

#include <stdio.h>

extern char* name();
extern int add(int a, int b);

int main() {
    printf("Name: %s\n", name());
    printf("Result: %d\n", add(2, 3));

    return 0;
}

动态链接

可执行程序在运行时才动态加载库进行链接；库的内容不会进入可执行程序中

Linux下动态库的创建和使用

• 编译动态库源码：gcc -shared dlib.c -o dlib.so
• 使用动态库编译：gcc main.c -ldl -o main.out
• 关键系统调用
  • dlopen:打开动态库文件
  • dlsym:查找动态库中的函数并返回调用地址
  • dlclose:关闭动态库文件

编程实验

• 动态链接示例

//dlib.c

char* name() {
    return "Dynamic Lib";
}


int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

#include <stdio.h>
#include <dlfcn.h>

int main() {
    void* pdlib = dlopen("./dlib.so", RTLD_LAZY);

    char* (*pname)();
    int (*padd)(int, int);

    if( pdlib != NULL ) {
        pname = dlsym(pdlib, "name");
        padd = dlsym(pdlib, "add");
 
        if( (pname != NULL) && (padd != NULL) )
        {
            printf("Name: %s\n", pname());
            printf("Result: %d\n", padd(2, 3));
        }

        dlclose(pdlib);
    } else {
        printf("Cannot open lib ...\n");
    }
    return 0;
}

小结

• 链接是将目标文件最终链接为可执行程序
• 根据链接方式的不同，链接过程可以分为：
  • 静态链接：目标文件直接链接进入可执行程序
  • 动态链接：在程序启动后才动态加载目标文件

21 宏定义与使用分析

#define是预处理器处理的单元实体之一；#define定义的宏可以出现在程序的任意位置；#define定义之后的代码都可以使用这个宏；#define定义的宏常量可以直接使用；#define定义的宏常量本质为字面量。

下面的宏常量定义正确吗？

#define ERROR -1
#define PATH1 "D:\test\test.c"
#define PATH2 D:\test\test.c
#define PATH3 D:\test\
test.c

实例分析

• 宏定义分析

#define ERROR -1
#define PATH1 "D:\test\test.c"
#define PATH2 D:\test\test.c
#define PATH3 D:\test\
test.c

int main()
{
    int err = ERROR;
    char* p1 = PATH1;
    char* p2 = PATH2;
    char* p3 = PATH3;
}

• #define表达式的使用类似函数调用
• #define表达式可以比函数更强大
• #define表达式比函数更容易出错

下面的宏表达式定义正确吗？

#define _SUM_(a,b) (a)+(b)
#define _MIN_(a,b) ((a)<(b)?(a):(b))
#define _DIM_(a) sizeof(a)/sizeof(*a)

实例分析

• 宏表达式分析

// #include <stdio.h>

#define _SUM_(a, b) (a) + (b)
#define _MIN_(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
#define _DIM_(a) sizeof(a)/sizeof(*a)


int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c[4] = {0};

    int s1 = _SUM_(a, b);
    int s2 = _SUM_(a, b) * _SUM_(a, b);
    int m = _MIN_(a++, b);
    int d = _DIM_(c);

    // printf("s1 = %d\n", s1);
    // printf("s2 = %d\n", s2);
    // printf("m = %d\n", m);
    // printf("d = %d\n", d);

    return 0;
}

• 宏表达式被预处理器处理，编译器不知道宏表达式的存在
• 宏表达式用“实参”完全替代形参，不进行任何运算
• 宏表达式没有任何的“调用开销”
• 宏表达式中不能出现递归定义

#define _SUM_(n) ((n>0)?(_SUM(n-1)+n):0)
int s = _SUM_(10);

宏定义的常量表达式是否有作用域限制？

下面的程序合法吗？

void def(){
    #define PI 3.1415926
    #define AREA(r) r*r*PI
}
double area(double r){
    return AREA(r);
}

实例分析：宏的作用域分析

// #include <stdio.h>

void def()
{
    #define PI 3.1415926
    #define AREA(r) r * r * PI
}

double area(double r)
{
    return AREA(r);
}

int main()
{
    double r = area(5);

    // printf("PI = %f\n", PI);
    // printf("d = 5; a = %f\n", r);
    
    return 0;
}

强大的内置宏

宏	含义	示例
_FILE_	被编译的文件名	file1.c
_LINE_	当前行号	25
_DATE_	编译时的日期	Jan 31 2012
_TIME_	编译时的时间	17:01:01
_STDC_	编译器是否遵循标准C规范	1

实例分析

• 宏使用综合示例

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

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

#define FREE(p) (free(p), p=NULL)

#define LOG(s) printf("[%s] {%s:%d} %s \n", __DATE__, __FILE__, __LINE__, s)

#define FOREACH(i, m) for(i=0; i<m; i++)
#define BEGIN {
#define END }

int main()
{
    int x = 0;
    int* p = MALLOC(int, 5);
    
    LOG("Begin to run main code...");
    
    FOREACH(x, 5)
    BEGIN
        p[x] = x;
    END
    
    FOREACH(x, 5)
    BEGIN
        printf("%d\n", p[x]);
    END
    
    FREE(p);
    
    LOG("End");
    
    return 0;
}

小结

• 预处理器直接对宏进行文本替换
• 宏使用时的参数不会进行求值和运算
• 预处理器不会对宏定义进行语法检查
• 宏定义时出现的语法错误只能被编译器检测
• 宏定义的效率高于函数调用
• 宏的使用会带来一定的副作用

22 条件编译使用分析

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

#define C 1
int main(){
    #if(C==1)
        printf("This is first printf...\n");
    #else
        printf("This is second printf...\n")
    #endif
    return 0;
}

实例分析

• 条件编译初探

// #include <stdio.h>

#define C 1

int main()
{
    const char* s;

    #if( C == 1 )
        s = "This is first printf...\n";
    #else
        s = "This is second printf...\n";
    #endif

    // printf("%s", s);
    
    return 0;
}

• 预编译器根据条件编译指令有选择的删除代码
• 编译器不知道代码分支的存在
• if...else...语句在运行期进行分支判断
• 条件编译指令在预编译期进行分支判断
• 可以通过命令行定义宏

gcc -Dmacro=value file.c或gcc -Dmacro file.c

编程实验

• 通过命令行定义宏

//#include <stdio.h>

int main()
{
    const char* s;

    #ifdef C
        s = "This is first printf...\n";
    #else
        s = "This is second printf...\n";
    #endif

    //printf("%s", s);
    
    return 0;
}

• #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操作

问题：间接包含同一个头文件是否会产生编译错误？

实例分析

• 条件编译的使用

// global.h
#ifndef _GLOBAL_H_
#define _GLOBAL_H_
int global = 10;

#endif

// test.h

#ifndef _TEST_H_
#define _TEST_H_
#include "global.h"const char* NAME = "test.h";char* hello_world(){ return "Hello world!\n";}

#endif

//main.c
// #include <stdio.h>
#include "test.h"
#include "global.h"

int main() {
    const char* s = hello_world();
    int g = global;
    
    // printf("%s\n", NAME);
    // printf("%d\n", g);
    
    return 0;
}

• 条件编译可以解决头文件重复包含的编译错误

#ifdef _HEADER_FILE_H_
#define _HEADER_FILE_H_
//source code
#endif

• 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，因为可以产生不同的目标代码
• #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：
  • 不同的产品线共用同一份代码
  • 区分编译产品的调试版和发布版

实例分析

• 产品线区分及调试代码应用

//product.h
#define DEBUG 1
#define HIGH 1

//main.c
#include <stdio.h>
#include "product.h"

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

#if 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");
    
    #if 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;
}

小结

• 通过编译器命令行能够定义预处理器使用的宏
• 条件编译可以避免重复包含同一个头文件
• 条件编译是在工程中可以区别不同产品线的代码
• 条件编译可以定义产品的发布版和调试版

23#error和#line使用分析

• #error用于生成一个编译错误消息
• 用法

#error message

message不需要用双引号包围 #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。

• #error是一种预编译指示字
• #error可用于提示编译条件是否满足

#idndef __cplusplus
    #error This file should be processed with C++ compiler.
#endif

编译过程中的任意错误信息意味着无法生成最终的可执行程序。

实例分析：#error预处理初探

#include <stdio.h>

#ifndef __cplusplus
    #error This file should be processed with C++ compiler.
#endif

class CppClass {
private:
    int m_value;
public:
    CppClass() { }
    ~CppClass() { }
};

int main() {
    return 0;
}

• #error在条件编译中的应用

#include <stdio.h>

void f() {
#if ( PRODUCT == 1 )
    printf("This is a low level product!\n");
#elif ( PRODUCT == 2 )
    printf("This is a middle level product!\n");
#elif ( PRODUCT == 3 )
    printf("This is a high level product!\n");
#endif
}

int main() {
    f();
    
    printf("1. Query Information.\n");
    printf("2. Record Information.\n");
    printf("3. Delete Information.\n");

#if ( PRODUCT == 1 )
    printf("4. Exit.\n");
#elif ( PRODUCT == 2 )
    printf("4. High Level Query.\n");
    printf("5. Exit.\n");
#elif ( PRODUCT == 3 )
    printf("4. High Level Query.\n");
    printf("5. Mannul Service.\n");
    printf("6. Exit.\n");
#endif
    
    return 0;
}

#line用于强制指定新的行号和编译文件名，并对源程序的代码重新编号，用法：

#line number filename

filename可省略，#line编译指示字的本质是重定义__LINE__和__FILE__

编程实验

• #line的使用

#include <stdio.h>

// The code section is written by A.
// Begin
#line 1 "a.c"

// End

// The code section is written by B.
// Begin
#line 1 "b.c"

// End

// The code section is written by Delphi.
// Begin
#line 1 "delphi_tang.c"


int main()
{
    printf("%s : %d\n", __FILE__, __LINE__);
    
    printf("%s : %d\n", __FILE__, __LINE__);
    
    return 0;
}

// End

小结

• #error用于自定义一条编译错误信息
• #warning用于自定义一条编译警告信息
• #error和#warning常应用于条件编译的情形
• #line用于强制指定新的行号和编译文件名

24 #pragma使用分析

• #pragma用于指示编译器完成一些特定的动作
• #pragma所定义的很多指示字是编译器特有的
• #pragma在不同的编译器间是不可移植的
  • 预处理器将忽略它不认识的#pragma指令
  • 不同的编译器可能以不同的方式解释同一条#pragma指令

一般用法：

#pragma parameter

注：不同的parameter参数语法和意义各不相同

#pragma message

• message参数在大多数的编译器都有相似的实现
• message参数在编译时输出消息到编译输出窗口中
• message用于条件编译中可提示代码的版本信息

#if defined(ANDROID20)
    #pragma message("Compile Android SDK 2.0...")
    #define VERSION "Android 2.0"
#endif

与#error和#warning不同，#pragma message仅仅代表一条编译消息，不代表程序错误。

实例分析：#pragma message使用示例

#include <stdio.h>

#if defined(ANDROID20)
    #pragma message("Compile Android SDK 2.0...")
    #define VERSION "Android 2.0"
#elif defined(ANDROID23)
    #pragma message("Compile Android SDK 2.3...")
    #define VERSION "Android 2.3"
#elif defined(ANDROID40)
    #pragma message("Compile Android SDK 4.0...")
    #define VERSION "Android 4.0"
#else
    #error Compile Version is not provided!
#endif

int main()
{
    printf("%s\n", VERSION);

    return 0;
}

#pragma once

• #pragma once用于保证头文件只被编译一次
• #pragma once是编译器相关的，不一定被支持

#ifndef HEADER_FILE_H
#define HEADER_FILE_H
//source code
#endif

#pragma once

上面这两种方式有什么区别？

实例分析：#pragma once使用分析

//global.h
#pragma once

int g_value = 1;

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

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

    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
  • 而不一定是顺序的一个接一个的排列

struct Test1{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
struct Test2{
    char c1;
    char 2;
    short s;
    int i;
};

Test1和Test2所占的内存空间是否相同？

• 为什么需要内存对齐？
  • CPU对内存的读取不是连续的，而是分成块读取的，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，则需要两次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相对地址处读取特定类型的数据，否则产生硬件异常
• #pragma pack用于指定内存对齐方式
• #pramga pack能够改变编译器的默认对齐方式

#pragma pack(1)
struct Test1{
    char c1;
    short s;
    char c2;
    int i;
};
##pragma pack()

#pragma pack(1)
struct Test2{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};
##pragma pack()

//sizeof(struct Test1) = ?
//sizeof(struct Test1) = ?

• struce占用的内存大小
  • 第一个成员起始于0偏移处
  • 每个成员按其类型大小和pack参数中较小的一个进行对齐
    • 偏移地址必须能被对齐参数整除
    • 结构体成员的大小取其内部长度最大的数据成员作为其大小
  • 结构体总长度必须为所有对齐参数的整数倍

编译器在默认情况下按照4字节对齐。

编程实验

• 结构体大小计算

#include <stdio.h>

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

#pragma pack(4)
struct Test2
{
    char c1;
    char c2;
    short s;
    int i;
};
#pragma pack()

int main()
{
    printf("sizeof(Test1) = %d\n", sizeof(struct Test1));
    printf("sizeof(Test2) = %d\n", sizeof(struct Test2));

    return 0;
}

#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()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));

    return 0;
}

小结

• #pragma用于指示编译器完成一些特定的动作
• #pragma所定义的很多指示字是编译器特有的
  • #pragma message用于自定义编译消息
  • #pragma once用于保证头文件只被编译一次
  • #pragma pack用于指定内存对齐方式

25 #和##操作符使用分析

• #操作符用于在预处理期将宏参数转换为字符串
• #的转换作用是在预处理期完成的，因此只在宏定义中有效
• 编译器不知道#的转换作用
• 用法

#define STRING(x) #x
printf("%s\n",STRING(Hello World!));

实例分析

• #运算符的基本用法

#include <stdio.h>

#define STRING(x) #x

int main()
{
    
    printf("%s\n", STRING(Hello world!));
    printf("%s\n", STRING(100));
    printf("%s\n", STRING(while));
    printf("%s\n", STRING(return));

    return 0;
}

• #运算符的妙用

#include <stdio.h>

#define CALL(f, p) (printf("Call function %s\n", #f), f(p))
   
int square(int n)
{
    return n * n;
}

int func(int x)
{
    return x;
}

int main()
{
    int result = 0;
    
    result = CALL(square, 4);
    
    printf("result = %d\n", result);
    
    result = CALL(func, 10);
    
    printf("result = %d\n", result);

    return 0;
}

##运算符

• ##运算符用于在预处理期粘贴两个标识符
• ##的连接作用是在预处理期完成的，因此只在宏定义中有效
• 编译器不知道##的连接作用
• 用法

#define CONNECT(a,b)    a##b
int CONNECT(a,1);    //int a1;
a1=2;

实例分析

• ##运算符的基本用法

#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;
}

• ##运算符的工程应用

#include <stdio.h>

#define STRUCT(type) typedef struct _tag_##type type;\
                     struct _tag_##type

STRUCT(Student)
{
    char* name;
    int id;
};

int main()
{
    
    Student s1;
    Student s2;
    
    s1.name = "s1";
    s1.id = 0;
    
    s2.name = "s2";
    s2.id = 1;
    
    printf("s1.name = %s\n", s1.name);
    printf("s1.id = %d\n", s1.id);
    printf("s2.name = %s\n", s2.name);
    printf("s2.id = %d\n", s2.id);

    return 0;
}

小结

• #运算符用于在预处理期将宏参数转换为字符串
• ##运算符用于在预处理期粘贴两个标识符
• 编译器不知道#和##运算符的存在
• #和##运算符只在宏定义中有效