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C++中头文件和源文件的内容分析

来源:本站整理 作者:佚名 时间:2017-06-25 TAG: 我要投稿

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。

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