C++中头文件和源文件详细介绍

C++中的头文件和源文件详解

一、C++编译模式

通常,在一个C++程序中,只包含两类文件——.cpp文件和.h文件。其中,.cpp文件被称作C++源文件,里面放的都是C++的源代码;而.h文件则被称作C++头文件,里面放的也是C++的源代码。

C+ +语言支持“分别编译”(separate compilation)。也就是说,一个程序所有的内容,可以分成不同的部分分别放在不同的.cpp文件里。.cpp文件里的东西都是相对独立的,在编 译(compile)时不需要与其他文件互通,只需要在编译成目标文件后再与其他的目标文件做一次链接(link)就行了。比如,在文件a.cpp中定义 了一个全局函数“void a() {}”,而在文件b.cpp中需要调用这个函数。即使这样,文件a.cpp和文件b.cpp并不需要相互知道对方的存在,而是可以分别地对它们进行编译, 编译成目标文件之后再链接,整个程序就可以运行了。

这是怎么实现的呢?从写程序的角度来讲,很简单。在文件b.cpp中,在调用 “void a()”函数之前,先声明一下这个函数“void a();”,就可以了。这是因为编译器在编译b.cpp的时候会生成一个符号表(symbol table),像“void a()”这样的看不到定义的符号,就会被存放在这个表中。再进行链接的时候,编译器就会在别的目标文件中去寻找这个符号的定义。一旦找到了,程序也就可以 顺利地生成了。

注意这里提到了两个概念,一个是“定义”,一个是“声明”。简单地说,“定义”就是把一个符号完完整整地描述出来:它是变 量还是函数,返回什么类型,需要什么参数等等。而“声明”则只是声明这个符号的存在,即告诉编译器,这个符号是在其他文件中定义的,我这里先用着,你链接 的时候再到别的地方去找找看它到底是什么吧。定义的时候要按C++语法完整地定义一个符号(变量或者函数),而声明的时候就只需要写出这个符号的原型了。 需要注意的是,一个符号,在整个程序中可以被声明多次,但却要且仅要被定义一次。试想,如果一个符号出现了两种不同的定义,编译器该听谁的?

这 种机制给C++程序员们带来了很多好处,同时也引出了一种编写程序的方法。考虑一下,如果有一个很常用的函数“void f() {}”,在整个程序中的许多.cpp文件中都会被调用,那么,我们就只需要在一个文件中定义这个函数,而在其他的文件中声明这个函数就可以了。一个函数还 好对付,声明起来也就一句话。但是,如果函数多了,比如是一大堆的数学函数,有好几百个,那怎么办?能保证每个程序员都可以完完全全地把所有函数的形式都 准确地记下来并写出来吗?

二、什么是头文件

很显然,答案是不可能。但是有一个很简单地办法,可以帮助程序员们省去记住那么多函数原型的麻烦:我们可以把那几百个函数的声明语句全都先写好,放在一个文件里,等到程序员需要它们的时候,就把这些东西全部copy进他的源代码中。

这 个方法固然可行,但还是太麻烦,而且还显得很笨拙。于是,头文件便可以发挥它的作用了。所谓的头文件,其实它的内容跟.cpp文件中的内容是一样的,都是 C++的源代码。但头文件不用被编译。我们把所有的函数声明全部放进一个头文件中,当某一个.cpp源文件需要它们时,它们就可以通过一个宏命令 “#include”包含进这个.cpp文件中,从而把它们的内容合并到.cpp文件中去。当.cpp文件被编译时,这些被包含进去的.h文件的作用便发 挥了。

举一个例子吧,假设所有的数学函数只有两个:f1和f2,那么我们把它们的定义放在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“这些”函数的声明放在一个头文件math.h中:

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

在另一个文件main.cpp中,我要调用这两个函数,那么就只需要把头文件包含进来:

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

这 样,便是一个完整的程序了。需要注意的是,.h文件不用写在编译器的命令之后,但它必须要在编译器找得到的地方(比如跟main.cpp在一个目录下)。 main.cpp和math.cpp都可以分别通过编译,生成main.o和math.o,然后再把这两个目标文件进行链接,程序就可以运行了。

三、#include

#include 是一个来自C语言的宏命令,它在编译器进行编译之前,即在预编译的时候就会起作用。#include的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。值得一提的是,它本身是没有其它任何作用与副功能的,它的作用就是把每一个它出现的地方,替换成它后面所写的那个文件的 内容。简单的文本替换,别无其他。因此,main.cpp文件中的第一句(#include "math.h"),在编译之前就会被替换成math.h文件的内容。即在编译过程将要开始的时候,main.cpp的内容已经发生了改变:

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

不多不少,刚刚好。同理可知,如果我们除了main.cpp以外,还有其他的很多.cpp文件也用到了f1和f2函数的话,那么它们也通通只需要在使用这两个函数前写上一句#include "math.h"就行了。

四、头文件中应该写什么

通 过上面的讨论,我们可以了解到,头文件的作用就是被其他的.cpp包含进去的。它们本身并不参与编译,但实际上,它们的内容却在多个.cpp文件中得到了 编译。通过“定义只能有一次”的规则,我们很容易可以得出,头文件中应该只放变量和函数的声明,而不能放它们的定义。因为一个头文件的内容实际上是会被引 入到多个不同的.cpp文件中的,并且它们都会被编译。放声明当然没事,如果放了定义,那么也就相当于在多个文件中出现了对于一个符号(变量或函数)的定 义,纵然这些定义都是相同的,但对于编译器来说,这样做不合法。

所以,应该记住的一点就是,.h头文件中,只能存在变量或者函数的声明, 而不要放定义。即,只能在头文件中写形如:extern int a;和void f();的句子。这些才是声明。如果写上int a;或者void f() {}这样的句子,那么一旦这个头文件被两个或两个以上的.cpp文件包含的话,编译器会立马报错。(关于extern,前面有讨论过,这里不再讨论定义跟 声明的区别了。)但是,这个规则是有三个例外的。

一,头文件中可以写const对象的定义。因为全局的const对象默 认是没有extern的声明的,所以它只在当前文件中有效。把这样的对象写进头文件中,即使它被包含到其他多个.cpp文件中,这个对象也都只在包含它的 那个文件中有效,对其他文件来说是不可见的,所以便不会导致多重定义。同时,因为这些.cpp文件中的该对象都是从一个头文件中包含进去的,这样也就保证 了这些.cpp文件中的这个const对象的值是相同的,可谓一举两得。同理,static对象的定义也可以放进头文件。

二,头文件中可 以写内联函数(inline)的定义。因为inline函数是需要编译器在遇到它的地方根据它的定义把它内联展开的,而并非是普通函数那样可以先声明再链 接的(内联函数不会链接),所以编译器就需要在编译时看到内联函数的完整定义才行。如果内联函数像普通函数一样只能定义一次的话,这事儿就难办了。因为在 一个文件中还好,我可以把内联函数的定义写在最开始,这样可以保证后面使用的时候都可以见到定义;但是,如果我在其他的文件中还使用到了这个函数那怎么办 呢?这几乎没什么太好的解决办法,因此C++规定,内联函数可以在程序中定义多次,只要内联函数在一个.cpp文件中只出现一次,并且在所有的.cpp文 件中,这个内联函数的定义是一样的,就能通过编译。那么显然,把内联函数的定义放进一个头文件中是非常明智的做法。

三,头文件中可以写类 (class)的定义。因为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,所以,关于类的 定义的要求,跟内联函数是基本一样的。所以把类的定义放进头文件,在使用到这个类的.cpp文件中去包含这个头文件,是一个很好的做法。在这里,值得一提 的是,类的定义中包含着数据成员和函数成员。数据成员是要等到具体的对象被创建时才会被定义(分配空间),但函数成员却是需要在一开始就被定义的,这也就 是我们通常所说的类的实现。一般,我们的做法是,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。这是可以的,也是很好的办法。 不过,还有另一种办法。那就是直接把函数成员的实现代码也写进类定义里面。在C++的类中,如果函数成员在类的定义体中被定义,那么编译器会视这个函数为 内联的。因此,把函数成员的定义写进类定义体,一起放进头文件中,是合法的。注意一下,如果把函数成员的定义写在类定义的头文件中,而没有写进类定义中, 这是不合法的,因为这个函数成员此时就不是内联的了。一旦头文件被两个或两个以上的.cpp文件包含,这个函数成员就被重定义了。

五、头文件中的保护措施

考 虑一下,如果头文件中只包含声明语句的话,它被同一个.cpp文件包含再多次都没问题——因为声明语句的出现是不受限制的。然而,上面讨论到的头文件中的 三个例外也是头文件很常用的一个用处。那么,一旦一个头文件中出现了上面三个例外中的任何一个,它再被一个.cpp包含多次的话,问题就大了。因为这三个 例外中的语法元素虽然“可以定义在多个源文件中”,但是“在一个源文件中只能出现一次”。设想一下,如果a.h中含有类A的定义,b.h中含有类B的定 义,由于类B的定义依赖了类A,所以b.h中也#include了a.h。现在有一个源文件,它同时用到了类A和类B,于是程序员在这个源文件中既把 a.h包含进来了,也把b.h包含进来了。这时,问题就来了:类A的定义在这个源文件中出现了两次!于是整个程序就不能通过编译了。你也许会认为这是程序 员的失误——他应该知道b.h包含了a.h——但事实上他不应该知道。

使用"#define"配合条件编译可以很好地解决这个问题。在一 个头文件中,通过#define定义一个名字,并且通过条件编译#ifndef...#endif使得编译器可以根据这个名字是否被定义,再决定要不要继 续编译该头文中后续的内容。这个方法虽然简单,但是写头文件时一定记得写进去。

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