18.1 环境

1. 翻译环境与执行环境

C 语言将一个程序的处理和运行划分在两个不同的环境中：翻译环境（Translation Environment）与执行环境（Execution Environment）。

1.1 翻译环境

在翻译环境中，编译器把 C 源代码翻译为可执行程序，通常要经过预处理、编译、汇编和链接。翻译期间只能检查静态性质，例如语法是否正确、类型是否匹配、约束是否被违反；程序运行时的输入数据在这时无法得知。

1.2 执行环境

在执行环境中，翻译得到的程序在目标平台上运行。在宿主环境（有操作系统，如 Linux、Windows）中，程序由操作系统加载并运行；在独立环境（无操作系统，如单片机裸机程序、操作系统内核）中，程序在硬件复位后直接运行。

程序运行时才产生动态行为，例如与用户进行输入输出 (I/O) 交互、申请动态内存、调度多个线程。许多错误只有在程序运行、处理实际数据时才会暴露出来。

2. 宿主实现与独立实现

C 语言中，实现是一套特定的软件，它在特定的翻译环境下运行（并受特定控制选项影响），执行程序的翻译工作，并支持函数在特定的执行环境中执行。通常指编译器 + 标准库 + 目标运行平台。在宿主实现 (Hosted Implementation) 中，有操作系统支持（比如你现在学 C 语言使用的编译器，还有你电脑上搭载的操作系统）；在独立实现 (Freestanding Implementation) 中，则没有。

2.1 宿主实现

只要你写的是一个严格符合 C 标准的程序，宿主实现就必须无条件接受并成功运行它。此时，你可以畅通无阻地使用所有的 C 标准库，比如写 printf、用 malloc。

PS：我相信几乎所有读者使用的都是宿主实现。

2.2 独立实现

由于独立环境没有操作系统支持，它无法提供像 printf（需要文件系统和屏幕驱动）或 malloc（需要复杂的系统内存管理）这样的高级功能。

但只要你写的程序足够简单（只依赖标准库当中的一小部分），那么独立实现也得保证必须能够成功编译并运行它。

可通过以下方式判断使用的是何种实现：宿主实现输出 1，独立实现输出 0。

#include <stdio.h>

int main(void) {
#ifdef __STDC_HOSTED__
    printf("__STDC_HOSTED__ = %d\n", __STDC_HOSTED__);
#endif
    return 0;
}

可能的输出（示例）：

bash

STDC_HOSTED = 1

3. 习题

3.1 巩固

#11805

⚡2⏳2

下面五段程序各自在不同环节出问题：

/* a.c */
int main(void) {
    int x = "abc";
    return x;
}

/* b.c */
int main(void) {
    int x;
    int y = x + 1;
    return y;
}

/* c.c */
#include <stdio.h>

int main(void) {
    int d = 0;
    if (scanf("%d", &d) != 1) {
        return 1;
    }
    printf("%d\n", 10 / d);
    return 0;
}

/* d.c */
extern int helper(void);

int main(void) {
    return helper();
}

/* e.c */
#include <nosuch.h>

int main(void) {
    return 0;
}

要求：

用 gcc -std=c17 -Wall -Wextra 逐个编译，能链接的就链接，把每一段的诊断或结果记下来。
对每一段指出问题最早在哪一步被发现：预处理、编译、汇编、链接，还是运行。前四步属于翻译环境，最后一步属于执行环境。
c.c 用输入 0 运行一次，记录进程的结局。它在编译期有诊断吗？这说明翻译环境能检查什么、不能检查什么？
a.c 与 b.c 的结局和编译器版本有关：GCC 13.2 上两者都只给警告，程序照常生成并运行；GCC 14.2 上 a.c 的 -Wint-conversion 已经算错误。分别说明运行时得到的值为什么不能当作正确结果，并据此解释「编译通过」为什么不能当成正确性的证据。

验收：五段各有一条记录，分类正确；c.c 在输入为 0 时异常终止，而不是打印一个商；能指出 d.c 的 undefined reference 是链接阶段才出现的。

#11806

⚡3⏳2

正文用 __STDC_HOSTED__ 判断宿主实现与独立实现。这个宏由编译选项决定，不会跟着你实际链接的库走。

要求：

写一个程序打印 __STDC_HOSTED__ 的值，分别用下面三条命令编译，记录结果：

text

gcc -std=c17 -Wall -Wextra env.c -o env
gcc -std=c17 -ffreestanding -Wall -Wextra env.c -o env_free
gcc -std=c17 -ffreestanding -Wall -Wextra -nostdlib env.c -o env_bare

第二条命令生成的程序照样能调用 printf，也能正常输出。用 gcc -std=c17 -ffreestanding -c env.c 编出目标文件，再用 nm -u 看它引用了哪些符号，解释 -ffreestanding 到底改变了什么。
第三条命令在链接阶段失败。抄下报错，指出缺的是启动代码还是标准库函数。
用一句话说明：__STDC_HOSTED__ 描述的是实现的承诺，还是这台机器上装了哪些库。

验收：三条命令的结果都记录在案；能说清「宏变成 0」与「真的没有标准库可用」是两件事。

3.2 编程

#11807

⚡4⏳3

写一个日志模块 log_sink.c，同一份源码在宿主实现和独立实现下都能编译通过：

/* log_sink.h */
void log_line(const char *text);

#if !__STDC_HOSTED__
typedef void (*log_sink_fn)(const char *text);
void log_set_sink(log_sink_fn fn);
#endif

要求：

宿主实现下，log_line 用 fputs 与 fputc 把文本和换行写到 stderr，只包含 <stdio.h>。
独立实现下，模块内部保存一个函数指针，由 log_set_sink 设置；log_line 调用它，指针为空时什么也不做。这一分支不引入任何标准输入输出符号。
两种实现用 #if __STDC_HOSTED__ 分成两个分支，log_line 的入口只写一次。
分别编译成目标文件，比较未定义符号：

text

gcc -std=c17 -Wall -Wextra -c log_sink.c -o log_hosted.o
gcc -std=c17 -ffreestanding -Wall -Wextra -c log_sink.c -o log_free.o
nm -u log_hosted.o
nm -u log_free.o

写一个测试 main.c，用 -ffreestanding 编译，和 log_free.o 链接（链接时照常使用宿主工具链的 C 库），注册一个用 printf 输出 [sink] 文本 的函数，确认输出一行。

验收：nm -u log_hosted.o 里能看到 fputs 与 fputc；nm -u log_free.o 没有任何输出；测试程序输出一行 [sink] hello from freestanding object。若你的工具链在对象里额外带出 __main 一类启动符号，把它排除在比较之外，它来自编译器而不是模块。

3.3 综合与挑战

#11808

⚡5⏳3

下面两个文件可以分别编译，链接也不报错，运行却会崩溃：

/* name.c */
int name(void) {
    return 42;
}

/* main.c */
#include <stdio.h>

char *name(void);

int main(void) {
    printf("[%s]\n", name());
    return 0;
}

要求：

复现：分别编译、链接、运行，记录结局；用 nm name.o 与 nm main.o 看 name 在两边的符号类型（T 还是 U）。
解释翻译环境为什么发现不了：编译器一次处理几个翻译单元，能看到什么、看不到什么？链接器又只核对什么？
修正：把声明放进公共头文件 shared.h，两个源文件都包含它，确认编译、运行正确。再把 name.c 的返回类型故意改成 int 编译一次，记录编译器现在给出的诊断。
在修正前的两个文件上加 -flto -Werror 再编译一次，抄下 -Wlto-type-mismatch 的诊断。说明 LTO 为什么能看到跨翻译单元的类型，以及为什么不能指望每个项目都开 LTO。

验收：修正后输出一行方括号里带 mdr 的文本；-flto -Werror 下编译失败，诊断同时点出两个文件的声明位置。

3.10 求值

4.3 选择语句

5.5 跳转语句

10.2 结构体

14.3 程序支持

15.1 声明

16.2 对象表示

18.2 标准库中的宏

18.1 环境 ​

1. 翻译环境与执行环境 ​

1.1 翻译环境 ​

1.2 执行环境 ​

2. 宿主实现与独立实现 ​

2.1 宿主实现 ​

2.2 独立实现 ​

3. 习题 ​

3.1 巩固 ​

3.2 编程 ​

3.3 综合与挑战 ​