C語言條件編譯及編譯預先處理階段

一、C語言由原始碼產生的各階段如下：

C來源程式－>編譯預先處理－>編譯－>最佳化程式－>組譯工具－>連結程式－>可執行檔

       其中 編譯預先處理階段，讀取c來源程式，對其中的偽指令（以#開頭的指令）和特殊符號進行處理。或者說是掃描原始碼，對其進行初步的轉換，產生新的原始碼提供給編譯器。預先處理過程先於編譯器對原始碼進行處理。

       在C
語言中，並沒有任何內在的機制來完成如下一些功能：在編譯時間包含其他源檔案、定義宏、根據條件決定編譯時間是否包含某些代碼。要完成這些工作，就需要使用預先處理程式。儘管在目前絕大多數編譯器都包含了預先處理程式，但通常認為它們是獨立於編譯器的。預先處理過程讀入原始碼，檢查包含預先處理指令的語句和宏定義，並
對原始碼進行響應的轉換。預先處理過程還會刪除程式中的注釋和多餘的空白字元。

二、偽指令（或預先處理指令）定義

      預先處理指令是以#號開頭的程式碼。#號必須是該行除了任何空白字元外的第一個字元。#後是指令關鍵字，在關鍵字和#號之間允許存在任意個數的空白字元。整行語句構成了一條預先處理指令，該指令將在編譯器進行編譯之前對原始碼做某些轉換。下面是部分預先處理指令：

    指令         用途
    #           空指令，無任何效果
    #include    包含一個原始碼檔案
#define     定義宏
#undef      取消已定義的宏
#if         如果給定條件為真，則編譯下面代碼
    #ifdef      如果宏已經定義，則編譯下面代碼
    #ifndef     如果宏沒有定義，則編譯下面代碼
#elif       如果前面的#if給定條件不為真，當前條件為真，則編譯下面代碼，其實就是else if的簡寫
#endif      結束一個#if……#else條件編譯塊
#error      停止編譯並顯示錯誤資訊

三、預先處理指令主要包括以下四個方面：

1、宏定義指令

      宏定義了一個代表特定內容的標識符。預先處理過程會把原始碼中出現的宏標識符替換成宏定義時的值。宏最常見的用法是定義代表某個值的全域符號。宏的第二種用
法是定義帶參數的宏（宏函數），這樣的宏可以象函數一樣被調用，但它是在調用語句處展開宏，並用調用時的實際參數來代替定義中的形式參數。

 

1.1 #define指令
1.1.1 #define預先處理指令用來定義宏。該指令最簡單的格式是：聲明一個標識符，給出這個標識符代表的代碼（比如像圓周率這樣的數）。在後面的原始碼中，我們就可以使用定義的宏取代要使用的代碼，舉例如下：

//例1
#define MAX_NUM 10
int array[MAX_NUM];
for(i=0;i<MAX_NUM;i++) 

   
在這個例子中，對於閱讀該程式的人來說，符號MAX_NUM就有特定的含義，它代表的值給出了數組所能容納的最大元素數目。程式中可以多次使用這個值。作為一種約定，習慣上總是全部用大寫字母來定義宏，這樣易於把程式的宏標識符和一般變數標識符區別開來。如果想要改變數組的大小，只需要更改宏定義並重新編譯器即可。

1.1.2 使用宏的好處有兩點：

一是使用方便。如下：

//例2
#define PAI 3.1415926

PAI顯然比3.1415926寫著方便。

二是定義的宏有了意義，可讀性強。如例1，MAX_NUM，望文生意便知是最大數量的意思，比單純使用10這個數字可讀性要強的多。

三是容易修改。如例1，如果在程式中有幾十次會使用到MAX_NUM，修改只需要在宏定義裡面修改一次就可以，否則你會修改到崩潰。

1.1.3 宏表示的值可以是一個常量運算式，允許宏嵌套（必須在前面已定義）。例如：

//例3
#define ONE 1
#define TWO 2
#define SUM(ONE+TWO)

這裡需要注意兩點：
一是注意上面的宏定義使用了括弧。儘管它們並不是必須的。但出于謹慎考慮，還是應該加上括弧的。例如：
            six=THREE*TWO;
    預先處理過程把上面的一行代碼轉換成：
            six=(ONE+TWO)*TWO;
    如果沒有那個括弧，就轉換成six=ONE+TWO*TWO;了。

也就是說預先處理僅是簡單的字元替換，要時刻注意這一點，很多錯誤都會因此出現。

二是雖然我們舉例用了#define ONE 1 這個例子，但是一般要求宏定義要有其實際意義，#define ONE 1這種沒意義的宏定義是不推薦的。（大概是這麼個意思，忘記具體怎麼說了）

1.1.4 宏還可以代表一個字串常量，例如：
            #define VERSION "Version 1.0 Copyright(c) 2003"

1.2 帶參數的#define指令（宏函數）
    帶參數的宏和函數調用看起來有些相似。看一個例子：

//例4
#define Cube(x) (x)*(x)*(x)

    可以時任何數字運算式甚至函數調用來代替參數x。這裡再次提醒大家注意括弧的使用。宏展開後完全包含在一對括弧中，而且參數也包含在括弧中，這樣就保證了宏和參數的完整性。看一個用法：

//例4用法
int num=8+2;
volume=Cube(num);

    展開後為(8+2)*(8+2)*(8+2);
    如果沒有那些括弧就變為8+2*8+2*8+2了。
    下面的用法是不安全的：
            volume=Cube(num++);
    如果Cube是一個函數，上面的寫法是可以理解的。但是，因為Cube是一個宏，所以會產生副作用。這裡的書寫不是簡單的運算式，它們將產生意想不到的結果。它們展開後是這樣的：
            volume=(num++)*(num++)*(num++);
    很顯然，結果是10*11*12,而不是10*10*10;
    那麼怎樣安全的使用Cube宏呢？必須把可能產生副作用的操作移到宏調用的外面進行：
            int num=8+2;
            volume=Cube(num);
            num++;

宏函數使用不當會出現一些難以發現的錯誤，請謹慎使用。

1.3 #運算子
    出現在宏定義中的#運算子把跟在其後的參數轉換成一個字串。有時把這種用法的#稱為字串化運算子。例如：

//例5
#define PASTE(n) "adhfkj"#n
int main()
{
       printf("%s\n",PASTE(15));
return 0;
}
//輸出adhfj15

宏定義中的#運算子告訴預先處理程式，把原始碼中任何傳遞給該宏的參數轉換成一個字串。所以輸出應該是adhfkj15。

1.4 ##運算子（很少用）
    ##運算子用於把參數串連到一起。預先處理程式把出現在##兩側的參數合并成一個符號。看下面的例子：

//例6
#define NUM(a,b,c) a##b##c
#define STR(a,b,c) a##b##c
int main()
 {
       printf("%d\n",NUM(1,2,3));
       printf("%s\n",STR("aa","bb","cc"));
return 0;
 }
//最後程式的輸出為:
123
aabbcc

 

2、條件編譯指令。

      程式員可以通過定義不同的宏來決定編譯器對哪些代碼進行處理。條件編譯指令將決定那些代碼被編譯，而哪些是不被編譯的。可以根據運算式的值或者某個特定的宏是否被定義來確定編譯條件。

2.1 #if/#endif/#else/#elif指令
    #if指令檢測跟在製造另關鍵字後的常量運算式。如果運算式為真，則編譯後面的代碼，知道出現#else、#elif或#endif為止；否則就不編譯。
    #endif用於終止#if預先處理指令。
    #else指令用於某個#if指令之後，當前面的#if指令的條件不為真時，就編譯#else後面的代碼。

//例7
#define DEBUG       //此時#ifdef DEBUG為真
//#define DEBUG 0  //此時為假
int main()
{
   #ifdef DEBUG
      printf("Debugging\n");
   #else
      printf("Not debugging\n");
   #endif
   printf("Running\n");
   return 0;
}

這樣我們就可以實現debug功能，每次要輸出調試資訊前，只需要#ifdef DEBUG判斷一次。不需要了就在檔案開始定義#define DEBUG 0

#elif預先處理指令綜合了#else和#if指令的作用。

//例8
#define TWO
int main()
{
   #ifdef ONE
          printf("1\n");
#elif defined TWO
          printf("2\n");
#else
          printf("3\n");
#endif
}
//輸出結果是2。 

2.2 #ifdef和#ifndef

這二者主要用於防止重複包含。我們一般在.h標頭檔前面加上這麼一段：

//標頭檔防止重複包含
//funcA.h
#ifndef FUNCA_H
#define FUNCA_H
//標頭檔內容
#end if

這樣，如果a.h包含了funcA.h，b.h包含了a.h、funcA.h，重複包含，會出現一些type redefination之類的錯誤。
#if defined等價於#ifdef; #if !defined等價於#ifndef

3、標頭檔包含指令。

採用標頭檔的目的主要是為了使某些定義可以供多個不同的C來源程式使用。因為在需要用到這些定義的C來源程式中，只需加上一條#include語句即可，而不必再在此檔案中將這些定義重複一遍。先行編譯程式將把標頭檔中的定義統統都加入到它所產生的輸出檔案中，以供編譯器對之進行處理。

  #include預先處理指令的作用是在指令處展開被包含的檔案。包含可以是多重的，也就是說一個被包含的檔案中還可以包含其他檔案。標準C編譯器至少支援八重嵌套包含。預先處理過程不檢查在轉換單元中是否已經包含了某個檔案並阻止對它的多次包含，這個的處理辦法上面已經給出。

  在程式中包含標頭檔有兩種格式：
        #include <my.h>
        #include "my.h"
   
第一種方法是用角括弧把標頭檔括起來。這種格式告訴預先處理程式在編譯器內建的或外部庫的標頭檔中搜尋被包含的標頭檔。第二種方法是用雙引號把標頭檔括起
來。這種格式告訴預先處理程式在當前被編譯的應用程式的原始碼檔案中搜尋被包含的標頭檔，如果找不到，再搜尋編譯器內建的標頭檔。
   
採用兩種不同包含格式的理由在於，編譯器是安裝在公用子目錄下的，而被編譯的應用程式是在它們自己的私人子目錄下的。一個應用程式既包含編譯器提供的公用
標頭檔，也包含自訂的私人標頭檔。採用兩種不同的包含格式使得編譯器能夠在很多標頭檔中區別出一組公用的標頭檔。

4、特殊符號。

先行編譯程式可以識別一些特殊的符號。先行編譯程式對於在來源程式中出現的這些串將用合適的值進行替換。

4.1 __LINE__

注意，是雙底線，而不是單底線 。__FILE__ 包含當前程式檔案名稱的字串__LINE__  表示當前行號的整數__DATE__ 包含當前日期的字串__STDC__  如果編譯器遵循ANSI C標準，它就是個非零值__TIME__ 包含目前時間的字串
//例9
#include<stdio.h>
int main()
{
   printf("Hello World!\n");
   printf("%s\n",__FILE__);
   printf("%d\n",__LINE__);
   return 0;
}
4.2 #line等
#error指令將使編譯器顯示一條錯誤資訊，然後停止編譯。
#line指令改變_LINE_與_FILE_的內容，它們是在編譯器中預先定義的標識符。
#pragma指令沒有正式的定義。編譯器可以自訂其用途。典型的用法是禁止或允許某些煩人的警告資訊。
//例10,#line舉例
#line   100          //初始化行計數器 
#include<stdio.h>    //行號100
int main()
{
    printf("Hello World!\n");
    printf("%d",__LINE__);
return 0;
}
//輸出104
四、先行編譯程式所完成的基本上是對來源程式的“替代”工作。經過此種替代，產生一個沒有宏定義、沒有條件編譯指令、沒有特殊符號的輸出檔案。這個檔案的含義同沒有經過預先處理的源檔案是相同的，但內容有所不同。下一步，此輸出檔案將作為編譯器的輸出而被翻譯成為機器指令。