C的编译与链接

曾经在初读 CSAPP 之时，我初步了解了 C 语言的全部编译过程，即大概可分为以下三大步：

预处理
编译
链接

今天，又看了节公开课，对这部分有了相对较为深入的理解，并且知道了一些有意思的事情。

开始之前，我们应该有这样一个概念：在使用 gcc 编译器进行编译之时，以上三步在某种意义上来说是相互分离的。

预处理阶段

对于此阶段，我之前所理解的全部，便是曾经所做的笔记：

通过预处理器( cpp ) 处理之后，将其变成了 .i 文件，.i 文件实际上对你写的 .c 文件里以井号 # 开头的语句进行了处理，其发现你引入了某个头文件，于是预处理器便将头文件的内容插入到了你的代码之中。

而如今，我想可以进一步扩展（或许不准确），预处理阶段所处理的内容，实质上就是对 C语言中的宏进行处理，而其中需要处理的部分，即通过宏语法限定的，在程序中有效的宏语言¹。其中主要有两大类：

#define ：对以 #define 打头的宏定义部分进行替换。
#include：对以 #include 格式引入的库文件进行添加。

`#define`

最为常见的宏定义，新手常常使用其表示变量，老手便会使用宏来表示一些简单的函数等等：

1 2	#define PI 3.14159 // 新手 #define MAX(a,b) ((a)>(b))?(a):(b) // 老手

一般来说，既然已经有了函数，但是还是有许多人使用宏来替代函数，那么必有原因，一般来说，宏的优点主要有以下几点：

同函数一般，简单可复用！同时能够使代码含义更加清晰。
与函数相比，其直接在预处理阶段进行替换，所以其省去了函数调用的时间，所以，我觉得宏适合在下列情境下使用：
- 函数功能较为简单，只有一行代码，函数调用所花时间对函数功能影响较大
- 函数需要多次重复使用（不适合有递归的情况）

`#include`

只要学过C语言，想必就不会对此陌生，人生中第一个 hello world 就使用了这个语句，也就是所谓的头文件，头文件的格式有以下两种：

#include<> ：以 <> 引用的一般是系统自带的库文件
#include"" ：以 "" 引用的一般是自己写的头文件

此部分无需多叙。

编译阶段

所谓编译，就是将C语言文件编译为汇编文件，以方便计算机执行，而此阶段所做工作的目的是： 将C语言进行初步编译，并对程序进行语法上的一次检查，对不符合语法规则的，进行报错，也就是 Error ，并会停止程序的编译；对有争议，或是不明确的内容提出警告 Warning ，但是并不会停止编译，最终还是会生成可执行文件。

既然如此，那么有这样一个有趣的问题：如果，我们在写代码的时候，不加上头文件，那么该代码是否能通过编译呢？

示例

有这样一段毫无意义的代码，其目的仅是为了说明上述问题：

#include<stdio.h>	// printf
#include<stdlib.h>	// malloc, free
#include<assert.h>	// assert

int main() {
    void* mom = malloc(400);
    assert(mom != NULL);
    printf("yeah!\n");
    free(mom);
    return 0;
}

我们首先将 #include<stdio.h> 注释掉，那么此时，编译到 printf 语句的时候，编译器由于找不到 printf 的声明，于是会提出警告，并将 printf 以默认的方式进行编译——将之认为是一个函数（参数为字符串，返回值为 int ）。

所以在编译阶段，此代码即使去掉了 #include<stdio.h> 头文件，也依旧能够编译成功

链接阶段

链接阶段看似是根据编译的结果进行的，但是却不尽然，因为链接阶段是相对独立的，在链接阶段，编译器会根据编译之后的结果，在库中去依次寻找对应的函数。

所以，上述代码，在编译成功之后，进行链接之时，依旧能够从库中寻找到 printf 函数，并执行成功。也就是说，上述代码，去掉了 #include<stdio.h> 头文件，使用 gcc 编译，能够成功地编译并产生可执行文件，唯一的影响仅是：在编译过程中会产生一条警告信息。我自己实验的结果也同理论相同，结果如下图：

可以看到，仅产生了一个 warning，并且能够执行成功。

普适与特例

同样地，在去掉 #include<stdlib.h> 之后，也如是。但是，正如上面所说，链接阶段会重新在库函数中寻找函数原型，那么对于所有的库函数，都能够如此吗？ 答案当然是否定的！

#include<assert.h> 头文件之中，assert() 的实现，实质上并不是一个函数，而是一个宏定义，所以如果去掉此头文件，在编译阶段便会将 assert() 解释为一个函数。但是显然，其并非一个函数，那么链接之时便不可能找得到了，所以如此便会出错！验证结果如下：

意义

乍一看，这种写法好像没什么意义，但是，如果需要追求极度的精简，减小文件体积，这样的写法还是有意义的。事实上，我觉得这种写法，其实是远古时期，内存极度短缺时候的小技巧【实际测试中，其最后产生的可执行文件大小是一样的】。

至于为何会影响文件大小？因为加上头文件之后，在预处理阶段就会将头文件中的所有内容加到你的程序当中，而尽管你只使用了该头文件中的几个函数。而以现在大内存当道的现状，估计很少会有人这么写了。

所以，此技巧更多地还是体现了C语言的 ”自由“，并且还是蛮有趣的。

深入

既然不加头文件，编译器会将其理解为一个函数，那么我们就会想到：我直接在自己的代码中以函数的方式进行声明，那么是不是就不会产生警告了？答案是可行的！²验证如下：

代码改为：

#include<stdlib.h>	// malloc, free
#include<assert.h>	// assert

int printf(char* s);

int main() {
    void* mom = malloc(400);
    assert(mom != NULL);
    printf("yeah!\n");
    free(mom);
    return 0;
}

编译结果如下：

拓展

有个很有趣的事情，如果不加库，并且利用一个库函数中已有的函数，但是将其参数进行改变（传参数目变多或变少），那么此时程序又会如何被编译，或是产生何种后果？

比如下面一段代码：

int mian() {
    int num = 65;
    int length = strlen((char*)&num, num);
    printf("length = %d\n", length);
    return 0;
}

话不多说，首先来看编译结果：

哈哈哈哈哈，报错了，本来还想着正确之后讲述一番教授的思路呢！看来时代变了啊，编译器是变得安全了不少！那这部分也只能提前结束了。

为何说是有效，因为宏拥有一套自己简单的语法，可以控制某段宏是否进行处理，处理几次等操作，所以在此使用了有效的宏语言一词↩
可以看到，最终编译结果和公开课教授所讲的还是有出入，可能是编译器进化了的缘故吧！毕竟是10 年的公开课↩