通常,在一个C++程序中,只包含两类文件:.cpp文件和.h文件,前者称为源文后者称为头文件,里面放的都是C++代码。

1、分别编译:

C+ +语言支持“分别编译”(separate compilation)。也就是说一个程序,可以分成不同的功能分别放在不同的.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:a.cpp中定义了一个全局函数“void a() {}”,在b.cpp中需要调用这个函数。即使这样,a.cpp和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。

1)怎么实现的呢?

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: 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?

2)什么是头文件:

所谓的头文件,其实它的内容跟.cpp文件是一样的,都是 C++的源代码。头文件本身不用被编译。通常我们把公用的变量、函数的声明全放进一个头文件中,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,该命令是一字不落的替换和照抄。当.cpp文件被编译时,顺带将头文件一起编译了。举一个例子:

C++头文件_内联函数

math.h中声明了一个方法double f1(double,double);math.cpp中定义了f1方法,也就是实现了该方法;mathMain.cpp中要调用这个方法,只需要include头文件,声明一下即可,这样整个程序就完成了。从上例可以看出,头文件的作用就是要给外部提供接口使用的。

注意:.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。 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。

2、头文件中写什么:

2.1)变量、函数的声明:

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(否则不知道该用哪个了),我们可以得出,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。

因为一个头文件的实际上会被引入到多个不同的.cpp中,并且它们都会被编译。放声明当然没事,如果放了定义(即使是相同的),但对于编译器来说也是不合法。所以,只能在头文件中写类似:extern int a;和void f();这些才是声明。如果写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。

2.2)const对象的定义:

可以将const定义的变量写进头文件中,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,但是不建议。因为const是不会被修改的,再加上编译期会优化保证内存只有一份。但是static会被修改,就导致编译期无法优化,在内存中保存了多份。所以建议static的定义写在cpp中。

注:static的变量声明就必须定义。

2.3)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。

2.4)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。 (外联)

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。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:如果把函数成员的定义写在类定义的头文件中,而没有写进类体定义中, 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。

3、头文件保护:

所有头文件都应该使用 #define 来防止头文件被多重包含,命名格式当是:<PROJECT>_<PATH>_<FILE>_H_

为保证唯一性,头文件的命名应该基于所在项目源代码树的全路径。例:项目foo中的头文件 foo/src/bar/baz.h 可按如下方式保护:

#ifndef FOO_BAR_BAZ_H_

#define FOO_BAR_BAZ_H_

...

#endif // FOO_BAR_BAZ_H_

3.1)由于在一个系统中会有很多头文件,这些头文件可能会都包含一个公有的头文件,如果没有头文件保护,就会出现错误。举一个例子:

// file1.h
class file1
{
};
// file2.h
#include "file1.h"
class file2
{
};
// file3.h
#include "file1.h"
#include "file2.h"

file3.h展开来是这样的:
// file1.h展开的内容
class file1
{
};
// file2.h展开的内容
class file1
{
};
class file2
{
};

这时候就会出现重定义了,如果在每个文件加上#ifndef头文件保护符:

// file1.h
#ifndef _FILE1_H_
#define _FILE1_H_
class file1
{
};
#endif // !_FILE1_H_

// file2.h
#ifndef _FILE2_H_
#define _FILE2_H_
#include "file1.h"
class file2
{
};
#endif // !_FILE2_H_

// file3.h
#ifndef _FILE3_H_
#define _FILE3_H_
#include "file1.h"
#include "file2.h"
#endif // !_FILE3_H_

这时候展开file3.h时,因为_FILE1_H_只会被定义一次,所以就不会出现重定义错误。

3.2)头文件保护只是防止在同一个.cpp文件中被多次引用:

头文件中一般是不允许定义变量、函数的(只允许声明)。如果一个头文件中定义了变量、函数,但只被一个带有main得cpp引入、执行是没有问题的。例如:

C++头文件_编译器_02

g++ test.cpp 是可以便宜、连接、执行的。但是如果头文件被两个或以上cpp包含,那么就会报重复定义的错误:

C++头文件_内联函数_03

g++ test1.cpp test_main.cpp 编译、连接的时候报如下错误:

C++头文件_头文件_04

这是因为#ifndef只能在同一个文件中起到保护作用,在连接的时候,出现了test1和test_main中都出现了test()函数的定义。上述代码,可以编译成功:g++ -S test1.cpp test_main.cpp

解决方法,可以将common.h中的test()变成内联函数,即:inline void test()

3.3)#ifndef 也可以用在cpp文件中:

这种用法很少,不建议使用。#ifndef只是放在头文件中,作为头文件的保护。如下面例子,是可以编译、连接成功的:g++ test1.cpp test_main.cpp

C++头文件_内联函数_05

定义了宏TEST_COMMON_H_,并且在头文件、test1.cpp中都是用了#ifndef保护,所以在g++编译、链接的时候不会报重复定会议的错误。