预处理：头文件、宏定义、条件编译

一：预处理过程

预处理器将进行宏替换、条件编译和包含指定的文件。以“#”开头的命令行就是预处理器处理的对象。这些命令行可以出现在任何地方，其作用可延续到所在翻译单元的末尾。每一行都会单独进行分析。预处理过程，在逻辑上可划分为下面几个连续的阶段：

1：进行三字符序列替换

三字符组（trigraph）与双字符组（Digraph）是3个或者2个字符的序列，在编译器预扫描源程序时被替换为单个字符。以解决某些键盘不能输入某些编程必须的字符问题。

C语言的源程序的字符集是基于7位ASCII码字符集，是ISO
646-1983 不变代码集的一个超集。因此某些国家的键盘就难以输入C语言的一些运算符。
为解决上述的C语言源代码输入问题，C语言标准规定预处理器在扫描处理C语言源文件时，替换下述的3字符出现为1个字符：

三字符组	替换为
??=	#
??/	\
??'	^
??(	[
??)	]
??!	|
??<	{
??>	}
??-	~

比如代码：printf("??=\n");将会输出”#”。GCC需要-trigraphs选项，才支持三字符组。但会给出编译警告。
1994年公布了一项C语言标准的修正案，引入了更具有可读性的5个双字符组。这也包括进了C99标准。

双字符组	替换为
<:	[
:>	]
<%	{
%>	}
%:	#

不同于三字符组在源文件的任何出现都会被预处理器替换，双字符如果出现在字符串字面值、字符常量、程序注释中将不被替换。双字符组的替换发生在编译器对源程序的tokenization阶段（即识别出关键字、标识符等，类似于自然语言的“断词”），仅当双字符组作为一个token或者token的组成部分时（如%:%:被替换为预处理运算符##），双字符组才被替换为单字符。（以上内容出自维基百科）

b：将以反斜杠”\”结尾的指令行中，末尾的”\”，和其后的换行符删除掉，从而可以把若干指令行合并为一行。

c：将程序分成用空白符分隔的记号。注释将被替换为一个空白符。接着执行预处理指令，进行宏扩展。

d：将字符常量和字符串字面值中的转义字符序列，替换为等价字符，然后，把相邻的字符串字面值连接起来。

e：收集必要的程序和数据，并将外部函数和对象的引用与其定义相连接，翻译经过以上处理得到的结果，并进行链接过程。

二：文件包含
#include “filename” or #include <filename>
如果文件名用引号引起来，则在源文件所在的位置查找该文件；如果在该位置没有找到文件，或者如果文件名使用尖括号<与>括起来的，则将根据相应的规则查找该文件。
如果需要查看编译时查找头文件的默认搜索路径，可以使用gcc的-v选项，或者直接使用命令cpp -v。cpp就是预编译器的名字，当前预编译器多数情况下已经集成到编译器中了(the "real" cpp is nowadays integrated into the 'cc1','cc1plus' etc. "real" compilers)。比如下面的例子：

#include <sys/select.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
     int a = 3;
}

编译：gcc -v -o 2 2.c，输出：
......
/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.9/cc1 -quiet -v -imultiarch i386-linux-gnu 2.c -quiet -dumpbase 2.c-mtune=generic -march=i686 -auxbase 2 -version -fstack-protector-strong-Wformat -Wformat-security
-o /tmp/cc8VGFlp.s
......
GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100--param ggc-min-heapsize=131072
ignoring nonexistent directory"/usr/local/include/i386-linux-gnu"
ignoring nonexistent directory"/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.9/../../../../i686-linux-gnu/include"
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.9/include
/usr/local/include
/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.9/include-fixed
/usr/include/i386-linux-gnu
/usr/include
End of search list.
......
省略了其他阶段的输出，主要展示了编译器搜索头文件时的路径。

三：宏替换
#define 名字 替换文本
其中，名字与变量名的命名方式相同，替换文本可以是任意字符串。通常#define指令占一行，替换文本是#define指令行尾部的所有剩余内容，但是也可以通过反斜杠\将一个较长的宏定义分成若干行。
用#define指令定义同一名字是错误的，除非第二次定义的替换文本与第一相同。
#define指令定义的名字，它的作用域从其定义点开始，到被编译的源文件的末尾处结束。宏定义也可以使用前面出现的宏定义。宏替换对于字符串中的记号不起作用，比如如果YES是通过#define定义过的名字，则在printf(“YES”)中，不执行宏替换。
可以通过#undef指令，取消名字的宏定义。将#undef用于未知标示符（也就是未用#define指令定义的标示符），并不会导致错误。

1：#将参数字符串化。在替换文本中，如果参数名以”#”作为前缀，则结果将被扩展为：由实际参数替换该参数的带引号的字符串。比如：

#define STR(s)			#s
printf(STR(pele) “\n”);		//输出pele

如果实参中有双引号或反斜杠\，则将会替换为\”或\\。所以，替换后的字符串是合法的字符串常量。

注意，#后面必须跟宏参数，比如下面就是错误的：

#define STR(ARG)  #arg	//error: '#' is not followed by a macro parameter

正确的写法是：

#define STR(ARG)  #ARG

b：##是连接符，如果替换文本中的参数与##相邻，则该参数被实际参数替换时，##与前后的空白符都将删除，比如：

#define  paste(front, back) front##back
paste(name, 1)将替换为name1

#define VAR(argu) abc ## 3 ## def
int VAR(L) = 4;
printf("abc3def is  %d\n", abc3def);      //abc3def  is  4

注意，如果在宏定义中，使用##连接字符串是不对的，比如：

#define  PERROR(ARG)  perror(#ARG ##"ERROR")
PERROR(SOCKET)   
//error: pasting""SOCKET"" and "" ERROR"" does not givea valid preprocessing token

正确的写法是：

#define  PERROR(ARG)  perror(#ARG "ERROR")

c：注意：凡宏定义里有用'#'或'##'的地方，宏参数是不会再展开的。

#define A                2
#define STR(s)           #s
#define CONS(a,b)       (int)(a##e##b)
 
printf("stris : %s\n", STR(A));
这行会被展开为：
printf("stris : %s\n",  “A”);
 
printf("%s\n", CONS(A, A));  
这一行被展开为：
printf("%s\n", (int)(AeA)); //编译错误

A不会再被展开，解决这个问题的方法很简单，多加一层中间转换宏。加这层宏的用意是把所有宏的参数在这层里全部展开，那么在转换宏里的那一个宏(_STR)就能得到正确的宏参数。

#define  A                2
#define  _STR(s)          #s
#define  STR(s)           _STR(s)
#define  _CONS(a,b)       (int)(a##e##b)
#define  CONS(a,b)        _CONS(a,b)

printf("stris : %s\n", STR(A));       //输出 str is 2
printf("%d\n",CONS(A, A));            //输出：200

四：条件编译
可以使用条件语句对预处理过程进行控制，条件语句的值是在预处理执行的过程中进行计算。整型常量表达式指的是表达式中的操作数都是整数类型的。
每个条件编译指令（#if, #elif,#else, #endif）在程序中均独占一行。

#if语句，对其中的常量整形表达式（其中，不能包含sizeof，类型转换运算符或enum常量）进行求值。若该表达式的值不等于0，则包含其后的各行，直到遇到#endif、#elif或#else语句为止。
在#if中，也可以使用表达式”defined(名字)” 或者”defined 名字”，如果名字已经定义，则其值为1，否则为0。比如为了防止头文件重复包含，可以用下面的形式：

#if !defined(HDR)
#define HDR
...
#endif

还可以是下面这种形式：

#if ABC
         printf("ABC\n");
#else
         printf("DEF\n");
#endif

如果之前没有定义宏ABC，或者定义宏ABC为0，则打印DEF，否则，打印ABC

C中，专门定义了两个预处理语句#ifdef和#ifndef，因此，上面的例子也可以用这种形式：

#ifndef(HDR)
#define HDR
...
#endif

五：其他
#line 常量 “文件名” 或 #line 常量
这样的命令，将使编译器认为：下一行源代码的行号是“常量“，并且，当前的输入文件名是”文件名”。比如下面的代码，将输出：” the file is hh, line is 100” :

#line 100"hh"
printf("the file is %s, line is %d\n", __FILE__, __LINE__);

#error [用户自定义的错误消息]
当预处理器预处理到#error命令时,将停止编译并输出用户自定义的错误消息。比如下面的代码：

#ifndef A
#error no defineA
#endif

在编译时，会输出：”error:#error no define A”

__LINE__ 源文件行数
__FILE__ 源文件名字
__DATE__ 编译日期，形式为”Mmm dd yyyy”，比如Oct 272014
__TIME__ 编译时间，形式为”hh:mm:ss”，比如21:46:19
__STDC__ 整型常量1，只有在遵循标准的实现中，该标示符才被定义为1.


参考：

https://gcc.gnu.org/ml/gcc-help/2007-09/msg00205.html
https://gcc.gnu.org/onlinedocs/cpp/Concatenation.html#Concatenation