Aexiar/c

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许大仙 e8f8d3bcda 2024年10月9日 15:52

2024-10-09 07:52:08 +00:00

23 KiB

Raw Blame History

第一章：基本介绍

1.1 回顾 C 语言的编译过程

C 语言的编译过程，如下所示：

过程 ① ：编写（编辑）源代码，即：编写 C 语言源程序代码，并以文件的形式存储在磁盘中。

Note

源程序需要以 .c 作为扩展名。

过程 ② ：编译，即：将 C 语言源程序转换为目标程序（或目标文件）。如果程序没有错误，没有任何提示，就会生成一个扩展名为 .obj或 .o 的二进制文件。C 语言中的每条可执行语句经过编译之后，最终都会转换为二进制的机器指令。

Note

① 其实，编译阶段包含了预处理、编译和汇编。

② 预处理是编译过程的第一个阶段。在这个阶段，预处理器处理源代码中的指令（例如：#include、#define等），主要任务包括：

头文件包含：将头文件的内容插入到源文件中。例如：#include <stdio.h>会被替换为stdio.h文件的内容。

宏展开：替换宏定义。例如：#define PI 3.14会将代码中的PI替换为3.14。

条件编译：根据条件指令（如：#ifdef、#ifndef）有选择地编译代码。

删除代码中的注释，但是不会进行语法检查。

预处理完成后，生成一个扩展名为.i的中间文件。

③ 编译是将预处理后的源代码转换为汇编代码的过程。在这个阶段，编译器会检查代码的语法和语义，将其转换为目标机器的汇编语言，生成一个扩展名为.s的汇编文件。

④ 汇编是将汇编代码转换为机器代码（也称为目标代码或目标文件）的过程。在这个阶段，汇编器将汇编指令转换为二进制机器指令，生成一个扩展名为.o或 .obj的目标文件。

过程 ③ ：链接（连接），即：将编译形成的目标文件 *.obj 或 *.o和库函数以及其他目录文件链接，形成一个统一的二进制文件 *.exe。

Note

为什么需要链接库文件？

因为我们的 C 程序会使用 C 程序库中的内容，如：<stdio.h> 中的 printf() 函数，这些函数不是程序员自己写的，而是 C 程序库中提供的，因此需要链接。其实，在链接过程中，还会加入启动代码，这个启动代码（和系统相关，Linux 下主要有 crt0.c、crti.c 等，它们设置堆栈后，再调用 main() 函数）负责初始化程序运行时的环境。

过程 ④ ：执行，即：有了可执行的 *.exe文件，我们就可以在控制台上执行运行此 *.exe 文件。

Note

如果修改了源代码，还需要重新编译、链接，并生成新的 *.exe文件，再执行，方能生效。

1.2 和其他编程语言的对比

在编译和链接之前，C 语言需要对源文件进行一些文本方面的操作，如：删除代码中的注释，但是不会进行语法检查、头文件包含、宏展开、条件编译等，这个过程叫做预处理，由预处理程序（预处理器）完成。
较之其他的编程语言，如：Java 、C# 等，C/C++ 语言更依赖预处理器，所以在阅读或开发 C/C++ 程序的过程中，可能会接触到大量的预处理指令，如：#include、#define 等。

1.3 预处理指令

预处理过程中会执行预处理指令，预处理指令以 #开头，如：#include 等，用于指导预处理器执行不同的任务。
预处理器有如下的特点：
- ① 预处理指令应该放在代码的开头部分。
- ② 预处理指令都以 #开头，指令前面可以有空白字符（比如空格或制表符），#和指令的其余部分之间也可以有空格，但是为了兼容老的编译器，一般不留空格。
```
// 推荐写法
#include <stdio.h>
```
```
// 不推荐写法
    #include <stdio.h>
# include <stdio.h>
```
- ③ 预处理指令都是一行的，除非在行尾使用反斜杠，将其折行，但强烈不建议这么干。
```
#include <std\
io.h>
```
- ④ 预处理指令不需要分号作为结束符，指令结束是通过换行符来识别的。
```
#include <stdio.h>; // 这里有分号会报错
```
```
#define PI 3.14; // 分号会成为 PI 的值的一部分
```
- ⑤ 预处理指令通常不能写在函数内部，有些编译器的扩展允许将预处理指令写在函数里，但强烈不建议这么干。
```
int main () {
    // 一般不允许写在这里
    #include <stdio.h> // [!code warning]

    return 0;
}
```

1.4 为什么 C 语言需要预处理？

1.4.1 概述

在实际开发中，有的时候，我们希望自己编写的程序能够跨平台（操作系统）运行，但是可能每个平台提供的系统库函数不同，如：在 Windows 上实现暂停的函数是 void Sleep(DWORD dwMilliseconds)，单位是 ms，头文件是 <windows.h>；而 Linux 上实现暂停的函数是 unsigned int sleep (unsigned int seconds)，单位是 s ，头文件是 <unistd.h>。所以，我们希望在 Windows 上调用的是 Sleep() 函数，而在 Linux 上调用的是 sleep() 函数，怎么办？
这就需要在编译之前对源文件进行处理：如果检测到的平台是 Windows，就保留 Sleep() 函数而删除 sleep() 函数；反之，如果检测到的平台是 Linux，则保留 sleep() 函数而删除 Sleep() 函数。

Note

① 这些在编译之前对源文件进行简单加工的过程，就称为预处理，即：预先处理、提前处理。

② 之前提过，在 Windows 上推荐使用 MSYS2 ，就是因为 MSYS2 提供了一个兼容层，使得在 Windows 上可以使用类似于 Linux 的环境。并且，MSYS2 同时支持 Windows 和类 Unix 的库函数，对我们开发跨平台程序更为友好！！！

1.4.2 应用示例

需求：开发一个 C 语言程序，让它暂停 5 秒以后再输出内容，并且要求跨平台。

Note

不同平台下的暂停函数和头文件都不一样，如下所示：

① Windows 平台下的暂停函数的原型是void Sleep(DWORD dwMilliseconds)（注意 S 是大写的），参数的单位是 ms，位于 <windows.h> 头文件。

② Linux 平台下暂停函数的原型是unsigned int sleep (unsigned int seconds)，参数的单位是 s，位于 <unistd.h> 头文件。

示例：

#include <stdio.h>

// 不同的平台下引入不同的头文件
#if _WIN32 // 识别windows平台
#include <windows.h>
#elif __linux__ // 识别linux平台
#include <unistd.h>
#endif

int main() {
// 不同的平台下调用不同的函数
#if _WIN32 // 识别windows平台
    Sleep(5000);
#elif __linux__ // 识别linux平台
    sleep(5);
#endif

    puts("Hello World\n");

    return 0;
}

1.4.3 Windows 平台预处理

上述程序，对于 Windows 平台，进行预处理，即：

gcc -E main.c -o main.i

处理后的代码就是这样的，如下所示：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>

int main() {
    
    Sleep(5000);
    
    puts("Hello World\n");

    return 0;
}

1.4.4 Linux 平台预处理

上述程序，对于 Linux 平台，进行预处理，即：

gcc -E main.c -o main.i

处理后的代码就是这样的，如下所示：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    
    sleep(5);

    puts("Hello World\n");

    return 0;
}

第二章：宏定义

2.1 概述

#define 在 C 语言中就称为宏定义命令，它是 C 语言预处理命令中的一种。所谓的宏定义，就是用一个标识符（宏名称）来表示一个替换文本，如果在后面的代码中出现了该标识符（宏名称），预处理器就会将它替换为对应的文本，我们也称该过程是宏替换或宏展开。
语法：

#define 宏名称 替换文本

Note

① 宏定义不是说明或语句，在行末不必加分号，如果加上分号则连分号也一起替换。

② 宏名称：宏的名称，是一个标识符，通常使用大写字母表示，以便和普通的变量名进行区别。

③ 替换文本：宏名称在代码中的每次出现都会被替换为这段文本。

④ 宏定义必须写在函数之外，其作用域为宏定义命令起到源程序结束。如果要终止其作用域可使用#undef命令。

⑤ 宏定义是用宏名来表示一个替换文本，在宏展开时又以该替换文本取代宏名，这只是一种简单粗暴的替换。替换文本中可以含任何字符，它可以是常数、表达式、if 语句、函数等，预处理程序对它不作任何检查，如果有错误，只能在编译已被宏展开后的源程序时发现。

示例：

#include <stdio.h>

// N 是宏名称，3 是替换文本
#define N 3 // [!code highlight]

int main() {
    
    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int sum = 20 + N; // [!code highlight]

    printf("sum = %d\n", sum); // sum = 23

    return 0;
}

2.2 使用宏定义常量

需求：编写一个程序，求圆的面积，要求使用宏定义 PI。
示例：

#include <stdio.h>

#define PI 3.1415926 // [!code highlight]

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int r = 0;
    printf("请输入圆的半径：");
    scanf("%d", &r);

    double area = PI * r * r; // [!code highlight]
    printf("圆的面积为：%.2f\n", area);

    return 0;
}

2.3 使用宏定义数据类型

需求：编程一个程序，模拟布尔类型。

Note

① C 23 标准中已经提供了布尔类型，即：nullptr_t，其值是 nullptr。

② 但是，在 ANSI C 标准中是没有布尔类型的，使用 0 表示假，1 表示真。

示例：

#include <stdio.h>

#define BOOL int // [!code highlight]
#define TRUE 1 // [!code highlight]
#define FALSE 0 // [!code highlight]

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    BOOL isPass = FALSE; // [!code highlight]
    BOOL isOk   = TRUE; // [!code highlight]

    printf("isPass = %d\n", isPass); // isPass = 0
    printf("isOk = %d\n", isOk);     // isOk = 1

    return 0;
}

2.4 使用宏定义替换文本

需求：程序中反复使用的表达式可以使用宏定义，要求将M 替换为 (n*n+3*n)。
示例：

#include <stdio.h>

#define M (n * n + 3 * n) // [!code highlight]

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int n = 3;
    // int sum = 3 * (n*n+3*n) + 4 * (n*n+3*n) + 5 * (n*n+3*n);
    int sum = 3 * M + 4 * M + 5 * M; // [!code highlight]

    printf("sum = %d\n", sum); // sum = 216

    return 0;
}

2.5 宏定义嵌套

需求：宏定义允许嵌套，在宏定义的替换文本中可以使用已经定义的宏名，在宏展开时由预处理程序层层替换。
示例：

#include <stdio.h>

#define PI 3.1415926 // [!code highlight]
#define AREA PI *r *r // [!code highlight]

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int r = 0;
    printf("请输入圆的半径：");
    scanf("%d", &r);

    printf("圆的面积为：%.2f\n", AREA); // [!code highlight]

    return 0;
}

2.6 取消宏定义

需求：有的时候，我们希望在某个函数内取消宏定义。

Note

宏定义必须写在函数之外，其作用域为宏定义命令起到源程序结束。如果要终止其作用域可使用#undef命令。

示例：

#include <stdio.h>

#define PI 3.1415926 // [!code highlight]

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int r = 0;
    printf("请输入圆的半径：");
    scanf("%d", &r);

    double area = PI * r * r;
    printf("圆的面积为：%.2f\n", area);

    return 0;
}

// 取消宏定义
#undef PI // [!code highlight]

void func() {
    // 错误，这里不能使用 PI
    // printf("PI=%f", PI); // [!code error]
}

第三章：带参数的宏定义

3.1 概述

C 语言允许宏带有参数。在宏定义中的参数称为“形式参数”，在宏调用中的参数称为“实际参数”，这点和函数有些类似。
带参宏定义语法：

#define 宏名(形参列表) 替换文本

Note

① 对带参数的宏，在展开过程中不仅要进行字符串替换，还要用实参去替换形参。

② 带参宏定义的一般形式为#define宏名(形参列表) 替换文本，在替换文本中可以含有各个形参。

带参宏调用语法：

宏名(实参列表);

示例：使用函数来获取两个数中的较大的数

#include <stdio.h>

/**
 * 获取两个整数中的最大值
 * @param a
 * @param b
 * @return
 */
int max(int a, int b) {
    return a > b ? a : b;
}

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int a = 10;
    int b = 20;

    int maxValue = max(a, b);

    printf("maxValue = %d\n", maxValue); // maxValue = 20

    return 0;
}

示例：使用带参宏定义来获取两个整数中的最大值

#include <stdio.h>

#define MAX(a, b) a > b ? a : b // [!code highlight]

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int a = 10;
    int b = 20;

    int maxValue = MAX(a, b);

    printf("maxValue = %d\n", maxValue); // maxValue = 20

    return 0;
}

3.2 使用细节和注意事项

① 带参宏定义中，形参之间可以出现空格，但是宏名和形参列表之间不能有空格出现。
② 在带参宏定义中，不会为形式参数分配内存，因此不必指明数据类型，而在宏调用中，实参包含了具体的数据，要用它们去替换形参，因此实参必须要指明数据类型。
③ 在宏定义中，替换文本内的形参通常要用括号括起来以避免出错。
示例：演示 ①

#include <stdio.h>

#define MAX (a, b) a > b ? a : b // [!code highlight]

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int a = 10;
    int b = 20;

    // MAX 就相当于 (a, b) a > b ? a : b
    // MAX(a, b) 就相当于 (a, b) a > b ? a : b(a, b)
    int maxValue = MAX(a, b); // [!code error]

    printf("maxValue = %d\n", maxValue); 

    return 0;
}

示例：演示 ③

#include <stdio.h>

// 带参宏定义,字符串内的形参通常要用括号括起来以避免出错
#define SQ(y) (y) * (y) // [!code highlight]

int main()
{
    int a, sq;
    printf("input a number: ");
    scanf("%d", &a);

    // 宏替换为 (a+1) * (a+1)
    sq = SQ(a + 1);  // [!code highlight]
    printf("sq=%d\n", sq);

    return 0;
}

3.3 带参宏定义和函数的区别

① 宏展开仅仅是文本的替换，不会对表达式进行计算；宏在编译之前就被处理掉了，它没有机会参与编译，也不会占用内存。
② 函数是一段可以重复使用的代码，会被编译，会给它分配内存，每次调用函数，就是执行这块内存中的代码。
示例：使用函数计算平方值

#include <stdio.h>

int SQ(int y) {
    return ((y) * (y));
}

int main() {

    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        printf("%d^2 = %d\n", i, SQ(i));
    }

    return 0;
}

示例：使用带参宏定义计算平方值

#include <stdio.h>

#define SQ(y) ((y) * (y))

int main() {

    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        printf("%d^2 = %d\n", i, SQ(i));
    }

    return 0;
}

第四章：文件包含

4.1 概述

#include 指令用于引入标准头文件、自定义头文件或第三方库的头文件，以便在当前源文件中使用其中定义的函数、变量、宏定义等，如下所示：

Note

① 一个 #include 指令只能包含一个头文件，多个头文件需要多个 #include 命令。

② 一个源文件可以导入多个头文件，一个头文件也可以被多个源文件导入（需要注意，头文件重复问题）。

③ 标准库头文件、自定义头文件以及第三方库的头文件的扩展名都是 .h。

2.2 包含标准库的头文件

引入标准库头文件需要使用尖括号将文件名包裹起来，如下所示：

// 用于包含标准库头文件或系统头文件。
// 编译器将在系统的标准头文件目录中查找文件。
#include <filename>

Tip

使用尖括号来引入标准头文件，使用双引号来引入自定义头文件，以便区分！！！

2.3 包含自定义头文件

引入自定义头文件需要使用双引号将文件名包裹起来，如下所示：

// 用于包含用户自定义的头文件。
// 编译器首先在当前目录中查找文件，如果未找到，再在标准头文件目录中查找。
#include "filename"

Tip

使用尖括号来引入标准头文件，使用双引号来引入自定义头文件，以便区分！！！

第五章：C 语言中的预定义宏

5.1 概述

所谓的预定义宏就是已经预先定义好的宏，我们可以直接使用，无需再重新定义。
ANSI C 规定了以下几个预定义宏，它们在各个编译器下都可以使用，如下所示：

预定义宏	说明
`__LINE__`	表示当前源代码的行号
`__FILE__`	表示当前源文件的名称
`__DATE__`	表示当前的编译日期
`__TIME__`	表示当前的编译时间
`__STDC__`	当要求程序严格遵循 ANSI C 标准时该标识被赋值为 1
`__cplusplus`	当编写 C++ 程序时该标识符被定义
`_WIN32`或 `_WIN64`	目标平台是 Windows 。
`__linux__`	目标平台是 Linux。

5.2 应用示例

需求：演示常用的 C 语言预定义宏。
示例：

#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    printf("Date : %s\n", __DATE__);
    printf("Time : %s\n", __TIME__);
    printf("File : %s\n", __FILE__);
    printf("Line : %d\n", __LINE__);

    return 0;
}

第六章：条件编译

6.1 概述

现在需要开发一个 C 语言程序，要求在 Windows 上的控制台的颜色是红色，而在 Linux 上的控制台的颜色是默认颜色，怎么办？
Windows 上的预定义宏是 _WIN32，而 Linux 上预定义宏是 __linux__，我们很容易的想到使用 if...else 来实现，代码如下：

#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    if (_WIN32) {
        printf("\033[1;31m这是红色的文本\n");
    } else if (__linux__) {
        printf("\033[0m这是默认颜色的文本\n");
    }
    return 0;
}

但是，编译器会直接报错，如下所示：

Caution

① 此时我的环境是 Linux，而在 Linux 环境下编译器是不认识 _Win32 的，会提示未定义的标识符。

② 同理，如果我的环境是 Windows，而在 Windows 环境下编译器是不认识 __linux__ 的，会提示未定义的标识符。

此时，我们可以使用 #if ...#endif 来对上述的程序进行改进，如下所示：

#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

#if _WIN32
    printf("\033[1;31m这是红色的文本\n");
#elif __linux__
    printf("\033[0m这是默认颜色的文本\n");
#endif

    return 0;
}

我们可以看到，此时的编译器是不会报错的，如下所示：

Note

① #if、#elif、#endif 等都是预处理命令，其含义是：如果宏 _WIN32 为真，就保留第 9 行代码，而删除第 11 行代码；如果宏 __linux__为真，就保留第 11 行代码，而删除第 9 行代码。

② 这些操作都是在预处理阶段完成的，多余的代码以及所有的宏都不会参与编译，不仅保证了代码的正确性，还减小了编译后文件的体积。

③ 这种能够根据不同情况编译不同代码、产生不同目标文件的机制，称为条件编译。

④ 条件编译是预处理程序的功能，不是编译器的功能。

6.2 #if

6.2.1 #if ... #endif

语法：

#if 条件表达式
	...
#endif

Note

① #if...#endif 指令用于预处理器的条件判断，满足条件时，内部的行会被编译，否则就被编译器忽略。

② #if...#endif 指令相当于分支结构中的 if 语句。

流程图，如下所示：

示例：

#include <stdio.h>

#define AGE 19

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

#if AGE >= 18
    printf("你已经是一个成年人了，可以为自己的行为负责！！！");
#endif

    return 0;
}

示例：

#include <stdio.h>

#define AGE 17

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

#if AGE >= 18
    printf("你已经是一个成年人了，可以为自己的行为负责！！！");
#endif

    return 0;
}

6.2.2 #if … #else … #endif

语法：

#if 条件表达式
	...
#else
    ...    
#endif

Note

① #if...#endif之间还可以加入 #else 指令，用于指定判断条件不成立时，需要编译的语句。

② #if … #else … #endif 指令相当于分支结构中的 if...else 语句。

流程图，如下所示：

示例：

#include <stdio.h>

#define AGE 19

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

#if AGE > 18
    printf("你已经是一个成年人了，可以为自己的行为负责！！！");
#else
    printf("你还是一个未成年人，需要监护人监护！！！");
#endif

    return 0;
}

示例：

#include <stdio.h>

#define AGE 17

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

#if AGE > 18
    printf("你已经是一个成年人了，可以为自己的行为负责！！！");
#else
    printf("你还是一个未成年人，需要监护人监护！！！");
#endif

    return 0;
}

6.2.3 #if … #elif … #else … #endif

语法：

#if 条件表达式1
	...
#elif 条件表达2
    ...    
#else
    ...    
#endif

Note

#if … #elif … #else … #endif 指令相当于分支结构中的 if...elseif..else 语句。

流程图，如下所示：

示例：

#include <stdio.h>

#define AGE 17

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

#if AGE < 6
    printf("你现在处于幼儿阶段\n
#elif AGE < 12
    printf("你现在处于少年阶段\n");
#elif AGE < 18
    printf("你现在处于青年阶段\n");
#elif AGE < 40
    printf("你现在处于壮年阶段\n");
#else
    printf("你现在处于老年阶段\n");
#endif


    return 0;
}

6.3 #ifdef

语法：

#ifdef  宏名
    ...
#else
    ...
#endif

Note

23 KiB Raw Blame History Unescape Escape

第一章：基本介绍

1.1 回顾 C 语言的编译过程

1.2 和其他编程语言的对比

1.3 预处理指令

1.4 为什么 C 语言需要预处理？

1.4.1 概述

1.4.2 应用示例

1.4.3 Windows 平台预处理

1.4.4 Linux 平台预处理

第二章：宏定义

2.1 概述

2.2 使用宏定义常量

2.3 使用宏定义数据类型

2.4 使用宏定义替换文本

2.5 宏定义嵌套

2.6 取消宏定义

第三章：带参数的宏定义

3.1 概述

3.2 使用细节和注意事项

3.3 带参宏定义和函数的区别

第四章：文件包含

4.1 概述

2.2 包含标准库的头文件

2.3 包含自定义头文件

第五章：C 语言中的预定义宏

5.1 概述

5.2 应用示例

第六章：条件编译

6.1 概述

6.2 #if

6.2.1 #if ... #endif

6.2.2 #if … #else … #endif

6.2.3 #if … #elif … #else … #endif

6.3 #ifdef

23 KiB

Raw Blame History