C++ 中头文件和源文件的关系

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Feb 5, 2023
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CPP
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这涉及到编译、链接、声明和定义之间的关系
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一、C++ 编译模式

C++ 支持“分别编译”。一个程序的内容可以分成不同的部分放在不同的 .cpp 文件里。.cpp 文件里的东西都是相对独立的，在编译（compile）时不需要其他文件，编译后会生成目标文件。这些目标文件再互相做一次链接（link），整个程序就可以运行了。
不同 .cpp 文件如何使用对方的函数？例如在 a.cpp 定义了一个 void a(){}，在 b.cpp 中需要使用这个 a 函数。它们在编译的时候不需要对方存在，但是 b.cpp 在调用函数 a 之前，需要对函数进行声明。b.cpp 编译后就会生成一个符号表（symbol table），像 void a() 这样声明的符号就会被保存在这个表中。后续进行链接时，编译器会尝试在别的目标文件中去寻找 void a() 的定义。
声明：只是声明这个符号存在，如果本文件没有定义，链接的时候再去别的地方寻找。
定义：把一个符号完完整整地实现描述出来。
一个符号可以在整个程序中声明多次，但是只能被定义一次。如果程序中出现了两种不同的定义，编译器也不知道哪个定义才是期望的。

二、头文件的用途

如果有一大堆的数学函数需要引用，很难保证程序员都可以完完整整地把所有函数的形式声明在自己的 .cpp 的文件中。有一个简单的办法：把这许多的数学函数声明语句全部写在一个文件里，程序员需要用到的时候就从这个文件里复制到 .cpp 文件中。这显然很蠢。
头文件（.h）设计是为了解决这个问题。头文件它的内容和 .cpp 文件中内容相似，都是 c++ 的源代码。我们可以把所有的函数声明写到一个头文件中，当某个 .cpp 文件声明它们时，可以使用 #include 宏命令包含近 .cpp 文件中。
  • math.cpp
double f1()
{
  //do something here....
  return;
}
double f2(double a)
{
  //do something here...
  return a * a;
}
  • math.h
double f1();
double f2(double);
  • run.cpp
#include "math.h"

int main()
{
  int number1 = f1();
  int number2 = f2(number1);

	return 0;
}
#include：它作用是把它后面所写的那个文件的内容，完完整整地、一字不改地包含到当前的文件中来。在编译过程即将开始的时候，.cpp 内容的 #include 部分，就会被对应 .h 文件的声明替代。
实际上 run.cpp 在编译前就被简单的文本替换成：

double f1();
double f2(double);

int main()
{
  int number1 = f1();
  int number2 = f2(number1);

	return 0;
}

三、头文件的正确内容

通过上面知道，头文件的作用就是被其他 .cpp 包含进去，它本身不会参与编译。它实际上它们的内容会在多个 .cpp 文件中得到了编译。
应该记住的是，.h 文件中只能存变量或者函数的声明。例如 extern int a; 和 void f(); 的声明语句。如果存在 int a; 或者 void f() {} 的定义语句，一旦这个头文件被两个或两个以上的 .cpp 文件包含，编译器就会报重复定义错误。但是有三个例外：
  • .h 文件中可以写 extern const 对象的定义：const 对象默认没有 extern 修饰，它只在当前文件中有效。及时它被包含到了多个 .cpp 文件中，这个对象也只在包含它的那个文件中有效，对于其他文件来说不可见。但可以写但不代表推荐！最好在 .h 的 const 前面加 extern 修饰声明，在 .cpp 中定义。
  • .h 文件中可以写内联函数（inline）的定义：1）inline 函数并不是必须定义在头文件中，但是一个好的工程习惯是将其定义在头文件中。2）inline 函数在链接时仅仅在单个 .cpp 文件中“可见”，并不是全局“可见”，是因为 inline 函数没有被编译成汇编码，无法用于链接。3）inline 函数仅仅是一个对编译器的建议，最后能否真正内联，还要看编译器。4）C++ 中在类中实现的成员函数会被编译器自动默认判定为 inline 函数。
  • .h 文件中可以写类（class）的定义：在程序中创建一个类的对象时，编译器只有在这个类的定义完全可见的情况下，才能知道这个类的对象应该如何布局。推荐的做法：可以把类的定义放在头文件中，而把函数成员的实现代码放在一个 .cpp 文件中。不过，还有另一种办法：直接把函数成员的实现代码也写进类定义里面是之成为内敛的。

四、头文件的保护措施

设想一下，如果 a.h 含有类 A 的定义，b.h 中含有类 B 的定义。b.h 需要中包含 a.h。如果有一个新的源文件 c.cpp 需要用到类 A 和类 B，它就需要包含 a.h 和 b.h。这时，类 A 的定义就在 c.cpp 中出现了两次！所以一般使用 ifndef 和 define 进行配合，避免头文件嵌套包含。
#ifndef __TEST_H
#define __TEST_H
// ......
#endif
#pragma once
// ......

五、关于 #include

1、系统自带的头文件用尖括号括起来，这样编译器会在系统文件目录下查找。
2、用户自定义的文件用双引号括起来，编译器首先会在用户目录下查找，然后再到 C++ 安装目录（比如 VC 中可以指定和修改库文件查找路径，Unix 和 Linux 中可以通过环境变量来设定）查找，最后在系统文件中查找。

六、总结

只要知道 #include 的作用是简单的文本替换，再去思考是否会有重复定义问题。

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