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前言
C语言是怎么从程序生成一份可执行文件（.exe）的？答案如下图所示：
程序的翻译环境和执行环境
在ANSI C的任何一种实现中,存在两个不同的环境。
第1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2种是执行环境,它用于实际执行代码。
编译 + 链接
（隔离编译，一起链接）
翻译环境
程序编译过程：
每一个源文件都会单独经过编译器处理，然后生成一个.obj 文件，即目标文件，然后所有目标文件和链接库经过链接器处理最后变成可执行文件。
1.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(object code)。
2.每个目标文件由链接器(linker)捆绑在一起,形成一个单一而完整的可执行程序。
3.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,而且它可以搜索程序员个人的程序库,将其需要的函数也链接到程序中。
而编译又可以分为三个步骤：预编译，编译，汇编。
预编译阶段：
（预编译生成一个.i 文件）
1.#include
头文件的包含
2.注释删除
使用空格来替换注释
3.#define
预处理指令
......
总归来说预编译阶段就是文本操作。
编译阶段：
（编译后产生一个.s 文件）
1.语法分析
2.词法分析
3.语义分析
4.符号汇总
总的来说就是把C代码翻译成汇编代码。
汇编阶段：
（产生一个.o 文件）
形成符号表。
把汇编代码转化成二进制指令。
链接阶段：
（链接完成后生成.exe 可执行文件）
1.合并段表
2.符号表的合并和重定位
运行环境
程序执行的过程：
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),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一直保留他们的值。
4.终止程序。正常终止main函数;也有可能是意外终止。
预处理 / 预编译详解
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。举个栗子:
#define
（#开头的都是预处理指令）
#define 定义标识符
语法：#define 符号 内容
举个栗子：
需要注意：#define 定义后面不要加 ' ; ' ，这样有可能会导致一些问题。
#define 定义宏
#define机制包括了一个规定,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(definemacro ) 。
#define name( parament-list)stuff 其中的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rame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stuff的一部分。
如:
#define SQUARE(X) X * X
这个宏接收一个参数x，如果在上述声明之后,把
SQUARE( 5 );
置于程序中,预处理器就会用下面这个表达式替换上面的表达式:
5 * 5
警告:这个宏存在一个问题:观察下面的代码段:
int a = 5;
printf("%d\n" ,SQUARE(a+1));这个代码的结果是11而非36，因为宏执行的不是传参而是直接替换，相当于此时将 SQUARE(a+1) 替换成 a+1*a+1，当 a 为 5 时，输出结果自然就是11。所以，如果要让这个宏完成我们想要让他完成的操作，就要做出如下改进：
#define SQUARE( x ) ((x) * (x))
这样再运行上面的代码段就可以正常输出 36 了。
也就是说，在写宏的时候，不要吝啬你的括号！
#define 替换规则
在程序中扩展#define定义符号和宏时,需要涉及几个步骤。
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。
注意:
1.宏参数和#define定义中可以出现其他#define定义的变量。但是对于宏,不能出现递归。
2.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。
# 与 ##
# 的作用
# 可以把参数插入字符串中
如下代码中，打印结果一摸一样。都是hello world
printf("hello world\n");
printf("hel""lo ""world\n");我们可以发现字符串是由自动连接的特点的。
而使用 # ，可以把一个宏参数变成对应的字符串。比如：
int i = 10;
#define PRINT(FORMAT, VALUE) printf("the value of " #VALUE "is "FORMAT "\n", VALUE);
...
PRINT("%d",i+3);
...代码中的#VALUE会预处理器处理为: “VALUE"
最终的输出的结果应该是:
the value of i+3 is 13
## 的作用
##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。
#define ADD_TO_SUM(num, value) sum##num += value;
...
ADD_TO_SUM(5,10);//作用是:给sum5增加10.注:这样的连接必须产生一个合法的标识符。否则其结果就是未定义的。
带有副作用的宏参数
当宏参数在宏的定义中出现超过一次的时候,如果参数带有副作用,那么你在使用这个宏的时候就可能出现危险,导致不可预测的后果。副作用就是表达式求值的时候出现的永久性效果。例如:
x+1;//不带副作用
X++;//带有副作用
MAX宏可以证明具有副作用的参数所引起的问题。
如下代码：
int main()
{
int a = 10;
int b = 11;
int max = MAX(a++, b++); //宏的参数带有副作用（更改a、b本身）
//int max = ((a++) > (b++)? (a++): (b++)); //宏替换后的结果
printf("%d\n", max);//12
printf("%d\n", a);//11
printf("%d\n", b);//13
return 0;
}宏 offsetof
在这里我想插入介绍一个可以返回结构体中成员相对于结构体起始地址偏移量的宏，offsetof，下面的代码是 offsetof 的个人实现。
struct S
{
char c1;
int a;
char c2;
};
#define OFFSETOF(struct_name, member_name) (int)&(((struct_name*)0)->member_name)//自己实现的宏offsetof
int main()
{
//struct S s;
printf("%d\n", OFFSETOF(struct S, c1));
printf("%d\n", OFFSETOF(struct S, a));
printf("%d\n", OFFSETOF(struct S, c2));
return 0;
}可以感觉到，宏和函数很相似。接下来，我们来看看宏和函数的对比。
宏和函数对比
宏通常被应用于执行简单的运算。比如在两个数中找出较大的一个。
#define MAX(a,b) ((a)>(b)?(a):(b))
那为什么不用函数来完成这个任务?原因有二:
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工作所需要的时间更多。宏在预处理阶段就完成了替换，没有函数调用和返回的开销。所以宏比函数在程序的规模和速度方面更胜一筹。
2.更为重要的是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。反之这个宏可以适用于整形、长整型、浮点型等可以用于>来比较的类型。宏是类型无关的。
当然和宏也有劣势的地方:
1.每次使用宏的时候,一份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。（因为宏是完全替换的，如果宏太长，多次使用宏，替换回原代码会大大增加原代码长度）
2.宏是没法调试的。
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问题，导致程序容易出现错误。
宏有时候可以做函数做不到的事情。比如：宏的参数可以出现类型，但是函数做不到。
#define MALLOC(num, type) (type*)malloc(num*sizeof(type))//宏定义
int main()
{
int* p=(int*)malloc(10*sizeof(int));//比较麻烦，每次还要强制类型转换和自己进行sizeof
int* p =MALLOC(10, int); //使用宏更加简洁明了，而且可以传类型，函数不能传类型
int* p= (int*)malloc(10* sizeof(int)); //替换后的等效代码
return 0;
}宏与函数差异一图流总结
宏的命名约定
一般来讲函数和宏的使用语法很相似。所以语言本身没法帮我们区分二者，所以平时的一个习惯是：
把宏名全部大写，函数名不要全部大写。
#undef
作用：移除一个宏定义
命令行定义
许多C的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不同的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写,我们需要一个数组能够大写。)
#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;
}编译命令：（Linux）
gcc -D ARRAY_SIZE=10 programe.c条件编译
在编译一个程序的时候我们如果要将一条语句(一组语句)编译或者放弃是很方便的。因为我们有条件编译指令。
比如说:
调试性的代码,删除可惜,保留又碍事,所以我们可以选择性的编译。如下方代码，通过控制定义 __DEBUG__ 来控制下方代码中的 printf 语句是否参与编译。（这个过程同样是在预处理 / 预编译阶段完成的）
#include <stdio.h>
#define __DEBUG__
int main()
{
int i = 0;
int arr[10] = {0};
for(i=0; i<10; i++)
{
arr[i] = i;
#ifdef _DEBUG
printf("%d\n",arr[i]);//为了观察数组是否赋值成功。
#endif //_DEBUG
}
return 0;
}常用条件编译指令
1.if 条件编译
#if 常量表达式（与普通 if 语句一样，判断真假）
//...
#endif
//常量表达式由预处理器求值
如：
#define __DEBUG__ 1
#if __DEBUG__
//...
#endif2.多个分支的条件编译
#if 常量表达式
//...
#elif 常量表达式
//...
#else
//...
#endif
3.判断是否被定义
#if defined(symbol)
#ifdef symbol
#if 1defined(symbol)
#ifndef symbol
4.嵌套指令
#if defined(OS_UNIX)
#ifdef OPTION1
unix_version_option1();
#endif
#ifdef OPTION2
unix_version_option2();
#endif
#elif defined(OS_MSDOS)
#ifdef OPTION2
msdos_version_option2();
#endif
#endif#include 文件包含
我们已经知道,#include 指令可以使另外一个文件被编译。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。
头文件被包含的方式：
1.本地文件包含：
#include "filename"
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。
linux环境的标准头文件的路径:
/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
注意按照自己的安装路径去找。
2.库文件包含：
#include
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。
这样是不是可以说,对于库文件也可以使用“”的形式包含?答案是肯定的,可以。
但是这样做查找的效率就低些,当然这样也不容易区分是库文件还是本地文件了。
嵌套文件包含
如果出现这样的场景:（图片来自b站鹏哥教程）
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。
如何解决这个问题?答案:条件编译。
每个头文件的开头写:
#ifndef __TEST_H__ //比较老的写法
#define __TEST_H__
//头文件的内容
#endif或者：
#pragma once //比较现代的写法
//头文件内容就可以避免头文件的重复引入。
其他预处理指令（不做过多介绍）
#error
#pragma
#line
//...
（全文完）