C++中頭文件與源文件的作用詳解

2020-01-26 13:28:08

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供稿：網(wǎng)友

一、C++ 編譯模式

通常，在一個(gè) C++ 程序中，只包含兩類(lèi)文件―― .cpp 文件和 .h 文件。其中，.cpp 文件被稱(chēng)作 C++ 源文件，里面放的都是 C++ 的源代碼；而 .h 文件則被稱(chēng)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"（separatecompilation）。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(xiě)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) "voida();"，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(lèi)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(xiě)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(xiě)程序的方法。考慮一下，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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)上一句 #include "math.h" 就行了。

四、頭文件中應(yīng)該寫(xiě)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(xiě)形如：extern int a; 和 void f(); 的句子。這些才是聲明。如果寫(xiě)上 inta;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(xiě) const 對(duì)象的定義。因?yàn)槿值?const 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(xiě)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(xiě)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)樵谝粋€(gè)文件中還好，我可以把內(nèi)聯(lián)函數(shù)的定義寫(xiě)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(xiě)類(lèi)（class）的定義。因?yàn)樵诔绦蛑袆?chuàng)建一個(gè)類(lèi)的對(duì)象時(shí)，編譯器只有在這個(gè)類(lèi)的定義完全可見(jiàn)的情況下，才能知道這個(gè)類(lèi)的對(duì)象應(yīng)該如何布局，所以，關(guān)于類(lèi)的定義的要求，跟內(nèi)聯(lián)函數(shù)是基本一樣的。所以把類(lèi)的定義放進(jìn)頭文件，在使用到這個(gè)類(lèi)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(lèi)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(lèi)的實(shí)現(xiàn)。一般，我們的做法是，把類(lèi)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(xiě)進(jìn)類(lèi)定義里面。在 C++ 的類(lèi)中，如果函數(shù)成員在類(lèi)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(xiě)進(jìn)類(lèi)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(xiě)在類(lèi)定義的頭文件中，而沒(méi)有寫(xiě)進(jìn)類(lèi)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(lèi) A 的定義，b.h 中含有類(lèi) B 的定義，由于類(lèi)B的定義依賴(lài)了�� A，所以 b.h 中也 #include了a.h。現(xiàn)在有一個(gè)源文件，它同時(shí)用到了類(lèi)A和類(lèi)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(lèi)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(xiě)頭文件時(shí)一定記得寫(xiě)進(jìn)去。

C++ 頭文件和源文件的區(qū)別

一、源文件如何根據(jù) #include 來(lái)關(guān)聯(lián)頭文件

1、系統(tǒng)自帶的頭文件用尖括號(hào)括起來(lái)，這樣編譯器會(huì)在系統(tǒng)文件目錄下查找。

2、用戶自定義的文件用雙引號(hào)括起來(lái)，編譯器首先會(huì)在用戶目錄下查找，然后在到 C++ 安裝目錄（比如 VC 中可以指定和修改庫(kù)文件查找路徑，Unix 和 Linux 中可以通過(guò)環(huán)境變量來(lái)設(shè)定）中查找，最后在系統(tǒng)文件中查找。
#include "xxx.h"（我一直以為 "" 和 <> 沒(méi)什么區(qū)別，但是 tinyxml.h 是非系統(tǒng)下的都文件，所以要用 ""）

二、頭文件如何來(lái)關(guān)聯(lián)源文件

這個(gè)問(wèn)題實(shí)際上是說(shuō)，已知頭文件 "a.h" 聲明了一系列函數(shù)，"b.cpp" 中實(shí)現(xiàn)了這些函數(shù)，那么如果我想在 "c.cpp" 中使用 "a.h" 中聲明的這些在 "b.cpp"中實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，通常都是在 "c.cpp" 中使用 #include "a.h"，那么 c.cpp 是怎樣找到 b.cpp 中的實(shí)現(xiàn)呢？

其實(shí) .cpp 和 .h 文件名稱(chēng)沒(méi)有任何直接關(guān)系，很多編譯器都可以接受其他擴(kuò)展名。比如偶現(xiàn)在看到偶們公司的源代碼，.cpp 文件由 .cc 文件替代了。

在 Turbo C 中，采用命令行方式進(jìn)行編譯，命令行參數(shù)為文件的名稱(chēng)，默認(rèn)的是 .cpp 和 .h，但是也可以自定義為 .xxx 等等。

譚浩強(qiáng)老師的《C 程序設(shè)計(jì)》一書(shū)中提到，編譯器預(yù)處理時(shí)，要對(duì) #include 命令進(jìn)行"文件包含處理"：將 file2.c 的全部?jī)?nèi)容復(fù)制到 #include "file2.c" 處。這也正說(shuō)明了，為什么很多編譯器并不 care 到底這個(gè)文件的后綴名是什么----因?yàn)?#include 預(yù)處理就是完成了一個(gè)"復(fù)制并插入代碼"的工作。

編譯的時(shí)候，并不會(huì)去找 b.cpp 文件中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，只有在 link 的時(shí)候才進(jìn)行這個(gè)工作。我們?cè)?b.cpp 或 c.cpp 中用 #include "a.h" 實(shí)際上是引入相關(guān)聲明，使得編譯可以通過(guò)，程序并不關(guān)心實(shí)現(xiàn)是在哪里，是怎么實(shí)現(xiàn)的。源文件編譯后成生了目標(biāo)文件（.o 或 .obj 文件），目標(biāo)文件中，這些函數(shù)和變量就視作一個(gè)個(gè)符號(hào)。在 link 的時(shí)候，需要在 makefile 里面說(shuō)明需要連接哪個(gè) .o 或 .obj 文件（在這里是 b.cpp 生成的 .o 或 .obj 文件），此時(shí)，連接器會(huì)去這個(gè) .o 或 .obj 文件中找在 b.cpp 中實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，再把他們 build 到 makefile 中指定的那個(gè)可以執(zhí)行文件中。

在 Unix下，甚至可以不在源文件中包括頭文件，只需要在 makefile 中指名即可（不過(guò)這樣大大降低了程序可讀性，是個(gè)不好的習(xí)慣哦^_^）。在 VC 中，一幫情況下不需要自己寫(xiě) makefile，只需要將需要的文件都包括在 project中，VC 會(huì)自動(dòng)幫你把 makefile 寫(xiě)好。

通常，C++ 編譯器會(huì)在每個(gè) .o 或 .obj 文件中都去找一下所需要的符號(hào)，而不是只在某個(gè)文件中找或者說(shuō)找到一個(gè)就不找了。因此，如果在幾個(gè)不同文件中實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)函數(shù)，或者定義了同一個(gè)全局變量，鏈接的時(shí)候就會(huì)提示 "redefined"。

綜上所訴

.h文件中能包含：