Inhaltsverzeichnis Ubersetzung und Pr aprozessor

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1 Inhaltsverzeichnis 4 Übersetzung und Präprozessor Phasen der Übersetzung Die Präprozessorphase Die Kompilierungsphase Die Linkerphase gcc Alle Phasen in einem Durchgang Erzeugen einer.o-datei Angeben von Bibliotheken Die Arbeitsweise des Präprozessors include-direktive und Header-Dateien #include <datei.h> #include datei.h define-direktive, symbolische Konstanten und Makros Symbolische Konstanten Makros Makro-Operatoren Löschen eines Namens Hinweise zum Gebrauch von Namen Vorbesetzte Namen Bedingte Kompilierung Bedingte Kompilierung in Header-Dateien Bedingte Kompilierung für rechnerabhängige Besonderheiten

2 Kapitel 4 Übersetzung und Präprozessor Dieses Kapitel enthält zunächst eine Übersicht der Übersetzungsphasen eines C-Programms. Bestimmte technische Details des Übersetzungsvorgangs sind in verschiedenen Betriebssystemen und verschiedenen Compilern unterschiedlich. Daher beschränkt sich die Darstellung der Übersetzungsphasen auf allgemeine Angaben. Als Beispiele werden gcc- Aufrufe unter UNIX genommen. Das Hauptthema dieses Kapitels ist dann die Beschreibung der ersten Übersetzungsphase: des Präprozessorlaufs. 4.1 Phasen der Übersetzung Ein C-Programm durchläuft von der Erstellung der Textdatei bis zum lauffähigen Programm mehrere Phasen, an denen mehrere Zwischen- und Ergebnisdateien beteiligt sind. Der Benutzer nimmt auf diese Phasen in verschiedener Weise Einfluß, teils in seiner Textdatei, teils durch Optionen beim Aufruf des Compilers: Phase Eingabedateien Produktion Ausgabedatei Präprozessor.c- und.h-dateien expandierter Text interne Datei Compiler interne Datei maschinennaher Code.o-Datei Linker.o-Datei lauffähiges Programm Programmdatei Die Präprozessorphase Der Präprozessor nimmt im Programmtext bestimmte Textersetzungen vor und erstellt als Ausgabe eine (normalerweise unsichtbare ) Textdatei, die wiederum ein C-Programm ist. Der Benutzer sorgt in seinem C-Text durch bestimmte Angaben dafür, daß der Präprozessor solche Ersetzungen vornimmt. 2

3 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor Die Kompilierungsphase Der Compiler übersetzt die vom Präprozessor gelieferte Datei in maschinennahe Sprache und legt diesen Code in einer Datei mit dem Suffix.o ab. Der Benutzer kann die Arbeitsweise des Compilers durch eine Vielzahl von Optionen beeinflussen Die Linkerphase Der Linker verbindet eine oder mehrere.o-dateien mit Bibliotheksfunktionen zu einem lauffähigen Programm. Der Linker kennt bereits einige Standardbibliotheken. Zusätzliche Bibliotheken müssen ihm vom Benutzer als Option angegeben werden. 4.2 gcc Im gcc-kommando sind Präprozessor, Compiler und Linker integriert. gcc verfügt über eine Vielzahl von Optionen für alle Phasen der Übersetzung. Diese sollten bei Bedarf im gcc-manual nachgelesen werden. Der Aufruf des UNIX-Kommandos man gcc bietet eine Zusammenfassung. Im folgenden werden nur einige wenige gcc-optionen beschrieben. Weitere gcc-optionen für den Präprozessor befinden sich weiter hinten im Kapitel Alle Phasen in einem Durchgang Für kleine Programme ist folgender Aufruf typisch: gcc -o hallo hallo.c In der Option -o wird der Name des lauffähigen Programms, also des Linkeroutputs, angegeben. Dahinter folgt der Name der C-Datei. Besteht das Programm aus mehreren Modulen, können diese alle angegeben werden: gcc -o super haupt.c sub1.c sub2.c Sowohl die Zwischendatei des Präprozessors als auch die.o-datei des Compilers werden temporär gehalten, d.h. nicht auf der Platte abgelegt.

4 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor Erzeugen einer.o-datei Bei umfangreicheren Programmen will man ev. einzelne Module vorübersetzen. Dann wird zunächst nur die.o-datei erzeugt, die, bis auf den Suffix, genauso heißt wie die.c-datei: gcc -c haupt.c Zum Linken wird jetzt die.o-datei angegeben. Dies kann kombiniert werden mit einer.c-datei: gcc -o super haupt.o sub1.c sub2.c Der Vorteil liegt darin, daß haupt.c nicht neu übersetzt wird Angeben von Bibliotheken Header-Datei und Bibliothek arbeiten zwar Hand in Hand, dürfen aber nicht miteinander verwechselt werden. Um etwa die Funktion sqrt zu benutzen, benötigt der Compiler zunächst die Header- Datei math.h, um die Deklaration der Funktion zu erfahren (Anzahl und Typ der Parameter etc.). Der Code der Funktion jedoch steht in einer Bibliothek, die nicht zu den Standardbibliotheken von gcc gehört. Diese Bibliothek heißt m. m wird mit der Option -l angegeben: gcc -o tab tabelle.c -lm Immerhin weiß der Linker, in welcher Directory m zu finden ist. Hat ein Benutzer eine eigene Funktionenbibliothek, so muß er auch noch angeben, in welcher Directory der Linker suchen muß. Das geschieht mit der Option -L: gcc -o haudrauf hau.c drauf.c -L /privlib -lm -lbrutal Die Benutzerbibliothek brutal soll in der Directory privlib gesucht werden. 4.3 Die Arbeitsweise des Präprozessors Der Präprozessor wird als erste Phase der Übersetzung eines C-Programms durchlaufen. Der Präprozessor sucht im Programmtext nach Zeilen, die mit einem # beginnen und interpretiert diese Zeilen als Präprozessor-Direktiven.

5 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor 4-5 Die Durchführung bewirkt, daß der ursprüngliche Programmtext verändert wird. Am Ende der Präprozessorphase ist ein neues C-Programm entstanden, das jetzt als Eingabe für den Compiler dient. Der Präprozessor versteht nichts von C-Syntax, er ist auf reine Textersetzung spezialisiert. Durch falsche Anwendung von Direktiven können im resultierenden C-Programm durchaus syntaktische oder semantische Fehler entstehen, die man nicht ohne weiteres erkennt, weil man den Präprozessoroutput normalerweise nicht zu Gesicht bekommt. Wenn man das Ergebnis des Präprozessors sehen will, gibt man in gcc die Option -E an. Dann wird nur die Präpozessorphase durchlaufen und das Ergebnis wird in die Standardausabe geschrieben. Diese sollte man zweckmäßigerweise in eine Datei umlenken: gcc -c hallo.c -E >out out kann jetzt z.b. mit more gelesen werden. 4.4 include-direktive und Header-Dateien Zeilen der Art: #include <datei.h> #include "datei.h" veranlassen den Präprozessor, den Inhalt der Datei datei.h an die Stelle dieser Direktive zu setzen. Eine solche Datei wird Header-Datei oder Include-Datei genannt. Der Suffix.h ist nicht vorgeschrieben, stellt aber eine Konvention dar, die von allen offiziellen Header- Dateien eingehalten wird. Header-Dateien enthalten einfach nur Text, der vom C-Compiler verstanden werden muß. Im Normalfall beschränkt sich eine Header-Datei auf Definitionen und Deklarationen. Der Compiler hat eine Liste von Directories, in denen Header-Dateien gesucht werden, und die Begrenzer der Dateiangabe (<...>,... ) bestimmen, welche dieser Directories wirklich durchsucht werden #include <datei.h> Die Begrenzer <...>, bedeuten, daß die vom System vorgegebenen Directories nach der angegebenen Header-Datei durchsucht werden. In UNIX sind das für gcc: /usr/include, /usr/local/include

6 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor 4-6 Hinzu kommen Directories, die je nach Betriebssystem und Rechnerarchitektur verschieden sein können. Die systemeigenen Header-Dateien können ohne weiteres gelesen werden, und es lohnt sich, dieses gelegentlich zu tun, z.b.: more /usr/include/stdio.h Um zu erfahren, aus welchen Directories die Header-Dateien genommen wurden, kann man im gcc-kommando die Option -H angeben: gcc -H -o hallo hallo.c #include datei.h Die Begrenzer... bewirken, daß die Header-Datei zunächst in benutzerdefinierten Directories gesucht werden. Werden die Dateien dort nicht gefunden, so wird die Suche mit den systemeigenenen Directories fortgesetzt. Benutzereigene Directories sind: die working directory Directories, die beim gcc-kommando in der Option -I angegeben wurden. Im folgenden Programmkopf werden drei systemeigene Header-Dateien und eine benutzereigene Header-Datei geladen: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include "privat.h" Falls das gcc-kommando so aufgerufen wurde: gcc -o super super.c -I /eigen -I /geheim so wird die Header-Datei privat.h zunächst in der Directory eigen, dann in geheim und schließlich in den systemeigenen Directories gesucht.

7 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor define-direktive, symbolische Konstanten und Makros Mit #define werden Namen definiert, denen Textstrings als Werte zugeordnet werden. Erscheint ein solcher Name im weiteren Verlauf des Programmtextes, so wird er vom Präprozessor durch seinen zugeordneten Textstring ersetzt. Ein Name wird syntaktisch gebildet wie ein Name in C, also aus Buchstaben, Ziffern und Underline. Der Name darf nicht mit einer Ziffer beginnen. Namen dürfen parametrisiert sein. Entsprechend unterscheidet man: Unparametrisierte Namen, auch symbolische Konstanten genannt. Parametrisierte Namen, auch Makros genannt Symbolische Konstanten Eine symbolische Konstante wird in der Form definiert: #define name text Symbolische Konstanten werden häufig benutzt, um konstante Werte oder auch kurze Programmteile in den Kopf eines Programms zu schreiben. Konventionellerweise schreibt man solche Namen groß, um sie im Programm besser unterscheiden zu können. Dazu folgendes Programmbeispiel: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define MIN -3 #define MAX 100 #define WARTE sleep(3) #define NULLDIV "Programmfehler: Division durch 0!" #define FORMAT "%3d %f\n" main () { int i; for (i = MIN; i <= MAX; i++) { if (i == 0) puts(nulldiv); else printf(format, i, 1./i); } } WARTE;

8 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor 4-8 Durch Ersetzung entsteht also folgender Text: main () { int i; for (i = -3; i <= 100; i++) { if (i == 0) puts("programmfehler: Division durch 0!"); else printf("%3d %f\n", i, 1./i); } } sleep(3); Die folgende Ersetzung erzeugt einen Fehler: #define WERT 17,5 main() { double x = WERT; }... Das merkt aber erst der Compiler. Ist der Ersetzungstext zu lang für eine Zeile, so kann er auf der nächsten Zeile fortgesetzt werden, wenn die Zeile mit Backslash beendet wird: #define DELAY {int i, j; for (i = 1; i < ; i++)\ j = i*i/i;} Makros Namen mit Parametern haben die Form #define name(p1,..., pn) text Die Auswertung eines Makroaufrufs geht folgendermaßen vor sich: Enthalten die Argumente des Makroaufrufs selbst Makros, so werden diese ersetzt. Die so entstandenen Argumente werden im Ersetzungstext überall dort eingesetzt, wo sich entsprechende Makroparameter befinden.

9 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor 4-9 Der so entstandene Ersetzungstext wird für den Makroaufruf eingesetzt. Beispiel: #define HOCH2(a) #define BIN3(a, b) a*a (a+b)(a-b) x = HOCH2(2); /* x = 2*2; */ y = BIN3(1, 2); /* y = (1+2)(1-2); */ z = BIN3(HOCH2(2), 3); /* z = (2*2+3)(2*2-3); */ Makro-Operatoren Für die Behandlung von Parametern in Ersetzungstexten stehen die Operatoren # und ## zur Verfügung. #p setzt im Ersetzungstext das Argument, das für p eingesetzt wird, in Anführungsstriche, z.b.: #define NAME(n) #n puts(name(hugo)); /* puts("hugo"); */ p1##p2 verkettet im Ersetzungstext die beiden Argumente, die für p1 und p2 eingesetzt werden, z.b.: #define CAT(a, b) a##b x = CAT(sq, rt)(2); /* x = sqrt(2);*/ Löschen eines Namens Durch #undef name wird ein Name (symbolische Konstante oder Makro) wieder gelöscht, d.h. es kann anschließend nicht mehr benutzt, aber neu definiert werden. Existierte name nicht, so gibt der Präprozessor keine Fehlermeldung aus.

10 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor Hinweise zum Gebrauch von Namen Beim Einsatz von Namen ist zu beachten: Ungeklammerte Zahlenausdrücke können zu semantischen Irrtümern führen: #define SUM1 3+4 #define SUM2 (3+4) printf("%d %d %d\n", SUM1*SUM1, (SUM1)*(SUM1), SUM2*SUM2); Das wird ersetzt zu: printf("%d %d %d\n", 3+4*3+4, (3+4)*(3+4), (3+4)*(3+4)); Stimmen zwei Namen so überein, daß der eine im anderen enthalten ist, so wählt der Präprozessor den längeren: #define A 1 #define B 2 #define AB 3 n = AB; /* n = 3; */ Sind zwei Namen gleich, so müssen auch ihre Ersetzungstexte gleich sein, sonst gibt der Compiler eine Warnung aus. Auf diese Weise wird vermieden, aus Versehen einen Namen zu redefinieren, der bereits in einer Header-Datei verwendet wurde. Z.B. ist in stdio.h definiert: #define BUFSIZ 8192 Daher ergibt folgende Definition eine Warnung: #include <stdio.h> #define BUFSIZ 100

11 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor Vorbesetzte Namen Folgende Namen stehen mit vordefinierten Werten zur Verfügung: LINE Nummer der aktuellen Programmzeile. FILE Name der Datei, die gerade übersetzt wird. DATE Datum der Übersetzung in der Form mm dd yyyy. TIME Zeit der Übersetzung in der Form hh:mm:ss. STDC hat den Wert 1, wenn der Compiler ANSI-C entspricht, sonst 0. Z.B. ergibt die Anweisung printf("%d %s %s %s %d\n", LINE, FILE, DATE, TIME, STDC ); die Ausgabe 25 makros.c May :27: Bedingte Kompilierung Der Präprozessor kann mit Hilfe logischer Ausdrücke dazu veranlaßt werden, bestimmte Programmteile auszuwählen oder zu unterdrücken. Auf diese Art kann man z.b. C-Programme schreiben, die implementationsabhängige Besonderheiten berücksichtigen. Eine bedingte Auswahl mit mehreren Alternativen sieht formal so aus: #if ausdruck1 programmteil1 #elif ausdruck2 programmteil2... #else programmteiln #endif

12 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor 4-12 Die #elifs und das #else können natürlich entfallen, das #endif jedoch muß immer da sein. ausdruckn wird als logische Bedingung betrachtet. Es sind folgende Ausdrücke möglich: #if zahl zahl ist ein konstanter Integerausdruck. Ergibt er einen Wert ungleich 0, so ist die logische Bedingung erfüllt. #if defined(name) oder #ifdef name Ist der Name name mit #define definiert worden, so ist die logische Bedingung erfüllt. #if! defined(name) oder #ifndef makro Ist der Name name nicht definiert, so ist die logische Bedingung erfüllt Bedingte Kompilierung in Header-Dateien Bedingte Kompilierung wird in Header Dateien verwendet, um zu vermeiden, daß sie mehr als einmal dazugeladen wird: #ifndef Name_h #define Name_h... #endif Für Name wird der Name der Header-Datei eingesetzt Bedingte Kompilierung für rechnerabhängige Besonderheiten Bedingte Kompilierung wird oft in einem Programm eingesetzt, das portabel sein soll, d.h. auf verschiedenen Rechnern oder unter verschiedenen Betriebssystemen laufen soll. Dazu das folgende Beispiel: Im UNIX-Cluster des ZDV werden Rechner unterschiedlicher Architekturen benutzt. Die Rechnerarchitektur wird in der UNIX-Variablen ARCH gehalten. gcc ist mit Hilfe der Option -D in der Lage, dem Präprozessor Namen zu übergeben, so als wären sie im Programm folgendermaßen definiert: #define name 1 Ist portabel.c ein Programm, das auf verschiedene Rechnerarchitekturen Rücksicht nehmen muß, so kann gcc nun so aufgerufen werden:

13 C-Kurs (ZDV) Übersetzung und Präprozessor 4-13 gcc -c portabel.c -D$ARCH portabel.c enthält dann folgende Präprozessorstrukturen: #if DECMIPS /*oder #ifdef DECMIPS*/... #elif ALPHA... #else... #endif