C++中的頭文件和源文件詳解

一、C++編譯模式

通常，在一個(gè)C++程序中，只包含兩類文件——.cpp文件和.h文件。其中，.cpp文件被稱作C++源文件，里面放的都是C++的源代碼；而.h文件則被稱作C++頭文件，里面放的也是C++的源代碼。

C+ +語(yǔ)言支持“分別編譯”（separate compilation）。也就是說(shuō)，一個(gè)程序所有的內(nèi)容，可以分成不同的部分分別放在不同的.cpp文件里。.cpp文件里的東西都是相對(duì)獨(dú)立的，在編 譯（compile）時(shí)不需要與其他文件互通，只需要在編譯成目標(biāo)文件后再與其他的目標(biāo)文件做一次鏈接（link）就行了。比如，在文件a.cpp中定義 了一個(gè)全局函數(shù)“void a() {}”，而在文件b.cpp中需要調(diào)用這個(gè)函數(shù)。即使這樣，文件a.cpp和文件b.cpp并不需要相互知道對(duì)方的存在，而是可以分別地對(duì)它們進(jìn)行編譯， 編譯成目標(biāo)文件之后再鏈接，整個(gè)程序就可以運(yùn)行了。

這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？從寫程序的角度來(lái)講，很簡(jiǎn)單。在文件b.cpp中，在調(diào)用 “void a()”函數(shù)之前，先聲明一下這個(gè)函數(shù)“void a();”，就可以了。這是因?yàn)榫幾g器在編譯b.cpp的時(shí)候會(huì)生成一個(gè)符號(hào)表（symbol table），像“void a()”這樣的看不到定義的符號(hào)，就會(huì)被存放在這個(gè)表中。再進(jìn)行鏈接的時(shí)候，編譯器就會(huì)在別的目標(biāo)文件中去尋找這個(gè)符號(hào)的定義。一旦找到了，程序也就可以 順利地生成了。

注意這里提到了兩個(gè)概念，一個(gè)是“定義”，一個(gè)是“聲明”。簡(jiǎn)單地說(shuō)，“定義”就是把一個(gè)符號(hào)完完整整地描述出來(lái)：它是變 量還是函數(shù)，返回什么類型，需要什么參數(shù)等等。而“聲明”則只是聲明這個(gè)符號(hào)的存在，即告訴編譯器，這個(gè)符號(hào)是在其他文件中定義的，我這里先用著，你鏈接 的時(shí)候再到別的地方去找找看它到底是什么吧。定義的時(shí)候要按C++語(yǔ)法完整地定義一個(gè)符號(hào)（變量或者函數(shù)），而聲明的時(shí)候就只需要寫出這個(gè)符號(hào)的原型了。 需要注意的是，一個(gè)符號(hào)，在整個(gè)程序中可以被聲明多次，但卻要且僅要被定義一次。試想，如果一個(gè)符號(hào)出現(xiàn)了兩種不同的定義，編譯器該聽(tīng)誰(shuí)的？

這 種機(jī)制給C++程序員們帶來(lái)了很多好處，同時(shí)也引出了一種編寫程序的方法?？紤]一下，如果有一個(gè)很常用的函數(shù)“void f() {}”，在整個(gè)程序中的許多.cpp文件中都會(huì)被調(diào)用，那么，我們就只需要在一個(gè)文件中定義這個(gè)函數(shù)，而在其他的文件中聲明這個(gè)函數(shù)就可以了。一個(gè)函數(shù)還 好對(duì)付，聲明起來(lái)也就一句話。但是，如果函數(shù)多了，比如是一大堆的數(shù)學(xué)函數(shù)，有好幾百個(gè)，那怎么辦？能保證每個(gè)程序員都可以完完全全地把所有函數(shù)的形式都 準(zhǔn)確地記下來(lái)并寫出來(lái)嗎？

二、什么是頭文件

很顯然，答案是不可能。但是有一個(gè)很簡(jiǎn)單地辦法，可以幫助程序員們省去記住那么多函數(shù)原型的麻煩：我們可以把那幾百個(gè)函數(shù)的聲明語(yǔ)句全都先寫好，放在一個(gè)文件里，等到程序員需要它們的時(shí)候，就把這些東西全部copy進(jìn)他的源代碼中。

這 個(gè)方法固然可行，但還是太麻煩，而且還顯得很笨拙。于是，頭文件便可以發(fā)揮它的作用了。所謂的頭文件，其實(shí)它的內(nèi)容跟.cpp文件中的內(nèi)容是一樣的，都是 C++的源代碼。但頭文件不用被編譯。我們把所有的函數(shù)聲明全部放進(jìn)一個(gè)頭文件中，當(dāng)某一個(gè).cpp源文件需要它們時(shí)，它們就可以通過(guò)一個(gè)宏命令 “#include”包含進(jìn)這個(gè).cpp文件中，從而把它們的內(nèi)容合并到.cpp文件中去。當(dāng).cpp文件被編譯時(shí)，這些被包含進(jìn)去的.h文件的作用便發(fā) 揮了。

舉一個(gè)例子吧，假設(shè)所有的數(shù)學(xué)函數(shù)只有兩個(gè)：f1和f2，那么我們把它們的定義放在math.cpp里：

/* math.cpp */
double f1()
{
 //do something here....
 return;
}
double f2(double a)
{
 //do something here...
 return a * a;
}
/* end of math.cpp */

并把“這些”函數(shù)的聲明放在一個(gè)頭文件math.h中：

/* math.h */
double f1();
double f2(double);
/* end of math.h */

在另一個(gè)文件main.cpp中，我要調(diào)用這兩個(gè)函數(shù)，那么就只需要把頭文件包含進(jìn)來(lái)：

/* main.cpp */
#include "math.h"
main()
{
 int number1 = f1();
 int number2 = f2(number1);
}
/* end of main.cpp */

這 樣，便是一個(gè)完整的程序了。需要注意的是，.h文件不用寫在編譯器的命令之后，但它必須要在編譯器找得到的地方（比如跟main.cpp在一個(gè)目錄下）。 main.cpp和math.cpp都可以分別通過(guò)編譯，生成main.o和math.o，然后再把這兩個(gè)目標(biāo)文件進(jìn)行鏈接，程序就可以運(yùn)行了。

三、#include

#include 是一個(gè)來(lái)自C語(yǔ)言的宏命令，它在編譯器進(jìn)行編譯之前，即在預(yù)編譯的時(shí)候就會(huì)起作用。#include的作用是把它后面所寫的那個(gè)文件的內(nèi)容，完完整整地、 一字不改地包含到當(dāng)前的文件中來(lái)。值得一提的是，它本身是沒(méi)有其它任何作用與副功能的，它的作用就是把每一個(gè)它出現(xiàn)的地方，替換成它后面所寫的那個(gè)文件的 內(nèi)容。簡(jiǎn)單的文本替換，別無(wú)其他。因此，main.cpp文件中的第一句（#include "math.h"），在編譯之前就會(huì)被替換成math.h文件的內(nèi)容。即在編譯過(guò)程將要開(kāi)始的時(shí)候，main.cpp的內(nèi)容已經(jīng)發(fā)生了改變：

/* ~main.cpp */
double f1();
double f2(double);
main()
{
 int number1 = f1();
 int number2 = f2(number1);
}
/* end of ~main.cpp */

不多不少，剛剛好。同理可知，如果我們除了main.cpp以外，還有其他的很多.cpp文件也用到了f1和f2函數(shù)的話，那么它們也通通只需要在使用這兩個(gè)函數(shù)前寫上一句#include "math.h"就行了。

四、頭文件中應(yīng)該寫什么

通 過(guò)上面的討論，我們可以了解到，頭文件的作用就是被其他的.cpp包含進(jìn)去的。它們本身并不參與編譯，但實(shí)際上，它們的內(nèi)容卻在多個(gè).cpp文件中得到了 編譯。通過(guò)“定義只能有一次”的規(guī)則，我們很容易可以得出，頭文件中應(yīng)該只放變量和函數(shù)的聲明，而不能放它們的定義。因?yàn)橐粋€(gè)頭文件的內(nèi)容實(shí)際上是會(huì)被引 入到多個(gè)不同的.cpp文件中的，并且它們都會(huì)被編譯。放聲明當(dāng)然沒(méi)事，如果放了定義，那么也就相當(dāng)于在多個(gè)文件中出現(xiàn)了對(duì)于一個(gè)符號(hào)（變量或函數(shù)）的定 義，縱然這些定義都是相同的，但對(duì)于編譯器來(lái)說(shuō)，這樣做不合法。

所以，應(yīng)該記住的一點(diǎn)就是，.h頭文件中，只能存在變量或者函數(shù)的聲明， 而不要放定義。即，只能在頭文件中寫形如：extern int a;和void f();的句子。這些才是聲明。如果寫上int a;或者void f() {}這樣的句子，那么一旦這個(gè)頭文件被兩個(gè)或兩個(gè)以上的.cpp文件包含的話，編譯器會(huì)立馬報(bào)錯(cuò)。（關(guān)于extern，前面有討論過(guò)，這里不再討論定義跟 聲明的區(qū)別了。）但是，這個(gè)規(guī)則是有三個(gè)例外的。

一，頭文件中可以寫const對(duì)象的定義。因?yàn)槿值腸onst對(duì)象默 認(rèn)是沒(méi)有extern的聲明的，所以它只在當(dāng)前文件中有效。把這樣的對(duì)象寫進(jìn)頭文件中，即使它被包含到其他多個(gè).cpp文件中，這個(gè)對(duì)象也都只在包含它的 那個(gè)文件中有效，對(duì)其他文件來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，所以便不會(huì)導(dǎo)致多重定義。同時(shí)，因?yàn)檫@些.cpp文件中的該對(duì)象都是從一個(gè)頭文件中包含進(jìn)去的，這樣也就保證 了這些.cpp文件中的這個(gè)const對(duì)象的值是相同的，可謂一舉兩得。同理，static對(duì)象的定義也可以放進(jìn)頭文件。

二，頭文件中可 以寫內(nèi)聯(lián)函數(shù)（inline）的定義。因?yàn)閕nline函數(shù)是需要編譯器在遇到它的地方根據(jù)它的定義把它內(nèi)聯(lián)展開(kāi)的，而并非是普通函數(shù)那樣可以先聲明再鏈 接的（內(nèi)聯(lián)函數(shù)不會(huì)鏈接），所以編譯器就需要在編譯時(shí)看到內(nèi)聯(lián)函數(shù)的完整定義才行。如果內(nèi)聯(lián)函數(shù)像普通函數(shù)一樣只能定義一次的話，這事兒就難辦了。因?yàn)樵?一個(gè)文件中還好，我可以把內(nèi)聯(lián)函數(shù)的定義寫在最開(kāi)始，這樣可以保證后面使用的時(shí)候都可以見(jiàn)到定義；但是，如果我在其他的文件中還使用到了這個(gè)函數(shù)那怎么辦 呢？這幾乎沒(méi)什么太好的解決辦法，因此C++規(guī)定，內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以在程序中定義多次，只要內(nèi)聯(lián)函數(shù)在一個(gè).cpp文件中只出現(xiàn)一次，并且在所有的.cpp文 件中，這個(gè)內(nèi)聯(lián)函數(shù)的定義是一樣的，就能通過(guò)編譯。那么顯然，把內(nèi)聯(lián)函數(shù)的定義放進(jìn)一個(gè)頭文件中是非常明智的做法。

三，頭文件中可以寫類 （class）的定義。因?yàn)樵诔绦蛑袆?chuàng)建一個(gè)類的對(duì)象時(shí)，編譯器只有在這個(gè)類的定義完全可見(jiàn)的情況下，才能知道這個(gè)類的對(duì)象應(yīng)該如何布局，所以，關(guān)于類的 定義的要求，跟內(nèi)聯(lián)函數(shù)是基本一樣的。所以把類的定義放進(jìn)頭文件，在使用到這個(gè)類的.cpp文件中去包含這個(gè)頭文件，是一個(gè)很好的做法。在這里，值得一提 的是，類的定義中包含著數(shù)據(jù)成員和函數(shù)成員。數(shù)據(jù)成員是要等到具體的對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)才會(huì)被定義（分配空間），但函數(shù)成員卻是需要在一開(kāi)始就被定義的，這也就 是我們通常所說(shuō)的類的實(shí)現(xiàn)。一般，我們的做法是，把類的定義放在頭文件中，而把函數(shù)成員的實(shí)現(xiàn)代碼放在一個(gè).cpp文件中。這是可以的，也是很好的辦法。 不過(guò)，還有另一種辦法。那就是直接把函數(shù)成員的實(shí)現(xiàn)代碼也寫進(jìn)類定義里面。在C++的類中，如果函數(shù)成員在類的定義體中被定義，那么編譯器會(huì)視這個(gè)函數(shù)為 內(nèi)聯(lián)的。因此，把函數(shù)成員的定義寫進(jìn)類定義體，一起放進(jìn)頭文件中，是合法的。注意一下，如果把函數(shù)成員的定義寫在類定義的頭文件中，而沒(méi)有寫進(jìn)類定義中， 這是不合法的，因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)成員此時(shí)就不是內(nèi)聯(lián)的了。一旦頭文件被兩個(gè)或兩個(gè)以上的.cpp文件包含，這個(gè)函數(shù)成員就被重定義了。

五、頭文件中的保護(hù)措施

考 慮一下，如果頭文件中只包含聲明語(yǔ)句的話，它被同一個(gè).cpp文件包含再多次都沒(méi)問(wèn)題——因?yàn)槁暶髡Z(yǔ)句的出現(xiàn)是不受限制的。然而，上面討論到的頭文件中的 三個(gè)例外也是頭文件很常用的一個(gè)用處。那么，一旦一個(gè)頭文件中出現(xiàn)了上面三個(gè)例外中的任何一個(gè)，它再被一個(gè).cpp包含多次的話，問(wèn)題就大了。因?yàn)檫@三個(gè) 例外中的語(yǔ)法元素雖然“可以定義在多個(gè)源文件中”，但是“在一個(gè)源文件中只能出現(xiàn)一次”。設(shè)想一下，如果a.h中含有類A的定義，b.h中含有類B的定 義，由于類B的定義依賴了類A，所以b.h中也#include了a.h?，F(xiàn)在有一個(gè)源文件，它同時(shí)用到了類A和類B，于是程序員在這個(gè)源文件中既把 a.h包含進(jìn)來(lái)了，也把b.h包含進(jìn)來(lái)了。這時(shí)，問(wèn)題就來(lái)了：類A的定義在這個(gè)源文件中出現(xiàn)了兩次！于是整個(gè)程序就不能通過(guò)編譯了。你也許會(huì)認(rèn)為這是程序 員的失誤——他應(yīng)該知道b.h包含了a.h——但事實(shí)上他不應(yīng)該知道。

使用"#define"配合條件編譯可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。在一 個(gè)頭文件中，通過(guò)#define定義一個(gè)名字，并且通過(guò)條件編譯#ifndef...#endif使得編譯器可以根據(jù)這個(gè)名字是否被定義，再?zèng)Q定要不要繼 續(xù)編譯該頭文中后續(xù)的內(nèi)容。這個(gè)方法雖然簡(jiǎn)單，但是寫頭文件時(shí)一定記得寫進(jìn)去。

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