第二十一章 C++中的头文件和源文件

1、C++编译模式
一般，在一个C++程序中，只包含两类文件——.cpp文件和.h文件。其中，.cpp文件被称做C++源文件，里面放的都是C++的源代码；而.h文件则被称做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，一个程序全部的内容，能够分红不一样的部分分别放在不一样的.cpp文件里。.cpp文件里的东西都是相对独立的，在编 译（compile）时不须要与其余文件互通，只须要在编译成目标文件后再与其余的目标文件作一次连接（link）就好了。好比，在文件a.cpp中定义 了一个全局函数“void a() {}”，而在文件b.cpp中须要调用这个函数。即便这样，文件a.cpp和文件b.cpp并不须要相互知道对方的存在，而是能够分别地对它们进行编译， 编译成目标文件以后再连接，整个程序就能够运行了。
这是怎么实现的呢？从写程序的角度来说，很简单。在文件b.cpp中，在调用 “void a()”函数以前，先声明一下这个函数“void a();”，就能够了。这是由于编译器在编译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。再进行连接的时候，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，程序也就能够 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 量仍是函数，返回什么类型，须要什么参数等等。而“声明”则只是声明这个符号的存在，即告诉编译器，这个符号是在其余文件中定义的，我这里先用着，你连接 的时候再到别的地方去找找看它究竟是什么吧。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），而声明的时候就只须要写出这个符号的原型了。 须要注意的是，一个符号，在整个程序中能够被声明屡次，但却要且仅要被定义一次。试想，若是一个符号出现了两种不一样的定义，编译器该听谁的？
这 种机制给C++程序员们带来了不少好处，同时也引出了一种编写程序的方法。考虑一下，若是有一个很经常使用的函数“void f() {}”，在整个程序中的许多.cpp文件中都会被调用，那么，咱们就只须要在一个文件中定义这个函数，而在其余的文件中声明这个函数就能够了。一个函数还 好对付，声明起来也就一句话。可是，若是函数多了，好比是一大堆的数学函数，有好几百个，那怎么办？能保证每一个程序员均可以完彻底全地把全部函数的形式都 准确地记下来并写出来吗？
2、什么是头文件
很显然，答案是不可能。可是有一个很简单地办法，能够帮助程序员们省去记住那么多函数原型的麻烦：咱们能够把那几百个函数的声明语句全都先写好，放在一个文件里，等到程序员须要它们的时候，就把这些东西所有copy进他的源代码中。
这 个方法当然可行，但仍是太麻烦，并且还显得很笨拙。因而，头文件即可以发挥它的做用了。所谓的头文件，其实它的内容跟.cpp文件中的内容是同样的，都是 C++的源代码。但头文件不用被编译。咱们把全部的函数声明所有放进一个头文件中，当某一个.cpp源文件须要它们时，它们就能够经过一个宏命令 “#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文件的做用便发 挥了。
举一个例子吧，假设全部的数学函数只有两个：f1和f2，那么咱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 */
在另外一个文件main.cpp中，我要调用这两个函数，那么就只须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，即是一个完整的程序了。须要注意的是，.h文件不用写在编译器的命令以后，但它必需要在编译器找获得的地方（好比跟main.cpp在一个目录下）。 main.cpp和math.cpp均可以分别经过编译，生成main.o和math.o，而后再把这两个目标文件进行连接，程序就能够运行了。
3、#include
#include 是一个来自C语言的宏命令，它在编译器进行编译以前，即在预编译的时候就会起做用。#include的做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，它自己是没有其它任何做用与副功能的，它的做用就是把每个它出现的地方，替换成它后面所写的那个文件的 内容。简单的文本替换，别无其余。所以，main.cpp文件中的第一句（#include "math.h"），在编译以前就会被替换成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 */
很少很多，刚恰好。同理可知，若是咱们除了main.cpp之外，还有其余的不少.cpp文件也用到了f1和f2函数的话，那么它们也统统只须要在使用这两个函数前写上一句#include "math.h"就好了。
4、头文件中应该写什么
通 过上面的讨论，咱们能够了解到，头文件的做用就是被其余的.cpp包含进去的。它们自己并不参与编译，但实际上，它们的内容却在多个.cpp文件中获得了编译。经过“定义只能有一次”的规则，咱们很容易能够得出，头文件中应该只放变量（在同一个函数体内变量声明不能重复）和函数的声明，而不能放它们的定义。由于一个头文件的内容其实是会被引 入到多个不一样的.cpp文件中的，而且它们都会被编译。放声明固然没事，若是放了定义，那么也就至关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，但对于编译器来讲，这样作不合法。
因此，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。若是写上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，这里再也不讨论定义跟 声明的区别了。）
可是，这个规则是有三个例外的。
一，头文件中能够写const对象的定义（有待检验，目测是错的）。由于全局的const对象默认是没有extern的声明的，因此它只在当前文件中有效。把这样的对象写进头文件中，即便它被包含到其余多个.cpp文件中，这个对象也都只在包含它的那个文件中有效，对其余文件来讲是不可见的，因此便不会致使多重定义。同时，由于这些.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，可谓一箭双雕。同理，static对象的定义也能够放进头文件。
二，头文件中可 以写内联函数（inline）的定义。由于inline函数是须要编译器在遇到它的地方根据它的定义把它内联展开的，而并不是是普通函数那样能够先声明再链 接的（内联函数不会连接），因此编译器就须要在编译时看到内联函数的完整定义才行。若是内联函数像普通函数同样只能定义一次的话，这事儿就难办了。由于在 一个文件中还好，我能够把内联函数的定义写在最开始，这样能够保证后面使用的时候均可以见到定义；可是，若是我在其余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，所以C++规定，内联函数能够在程序中定义屡次，只要内联函数在一个.cpp文件中只出现一次，而且在全部的.cpp文 件中，这个内联函数的定义是同样的，就能经过编译。那么显然，把内联函数的定义放进一个头文件中是很是明智的作法。
三，头文件中能够写类 （class）的定义（不包含成员函数的实现）。由于在程序中建立一个类的对象时，编译器只有在这个类的定义彻底可见的状况下，才能知道这个类的对象应该如何布局，因此，关于类的 定义的要求，跟内联函数是基本同样的。因此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，是一个很好的作法。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建立时才会被定义（分配空间），但函数成员倒是须要在一开始就被定义的，这也就 是咱们一般所说的类的实现。通常，咱们的作法是，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。这是能够的，也是很好的办法。 不过，还有另外一种办法。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，若是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。所以，把函数成员的定义写进类定义体，一块儿放进头文件中，是合法的。注意一下，若是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，由于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。
5、头文件中的保护措施
考 虑一下，若是头文件中只包含声明语句的话，它被同一个.cpp文件包含再屡次都没问题——由于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经常使用的一个用处。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包含屡次的话，问题就大了。由于这三个 例外中的语法元素虽然“能够定义在多个源文件中”，可是“在一个源文件中只能出现一次”。设想一下，若是a.h中含有类A的定义，b.h中含有类B的定 义，因为类B的定义依赖了类A，因此b.h中也#include了a.h。如今有一个源文件，它同时用到了类A和类B，因而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！因而整个程序就不能经过编译了。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——但事实上他不该该知道。
使用"#define"配合条件编译能够很好地解决这个问题。在一 个头文件中，经过#define定义一个名字，而且经过条件编译#ifndef X_M #define X_M... #endifX_M使得编译器能够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，可是写头文件时必定记得写进去。