理解 C++ 中的头文件和源文件的作用

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"（separatecompilation）。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 "voida();"，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：

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 inta;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��� 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。

C++ 头文件和源文件的区别

一、源文件如何根据 #include 来关联头文件

• 1、系统自带的头文件用尖括号括起来，这样编译器会在系统文件目录下查找。
• 2、用户自定义的文件用双引号括起来，编译器首先会在用户目录下查找，然后在到 C++ 安装目录（比如 VC 中可以指定和修改库文件查找路径，Unix 和 Linux 中可以通过环境变量来设定）中查找，最后在系统文件中查找。

#include "xxx.h"（我一直以为 "" 和 <> 没什么区别，但是 tinyxml.h 是非系统下的都文件，所以要用 ""）

二、头文件如何来关联源文件

这个问题实际上是说，已知头文件 "a.h" 声明了一系列函数，"b.cpp" 中实现了这些函数，那么如果我想在 "c.cpp" 中使用 "a.h" 中声明的这些在 "b.cpp"中实现的函数，通常都是在 "c.cpp" 中使用 #include "a.h"，那么 c.cpp 是怎样找到 b.cpp 中的实现呢？

其实 .cpp 和 .h 文件名称没有任何直接关系，很多编译器都可以接受其他扩展名。比如偶现在看到偶们公司的源代码，.cpp 文件由 .cc 文件替代了。

在 Turbo C 中，采用命令行方式进行编译，命令行参数为文件的名称，默认的是 .cpp 和 .h，但是也可以自定义为 .xxx 等等。

谭浩强老师的《C 程序设计》一书中提到，编译器预处理时，要对 #include 命令进行"文件包含处理"：将 file2.c 的全部内容复制到 #include "file2.c" 处。这也正说明了，为什么很多编译器并不 care 到底这个文件的后缀名是什么----因为 #include 预处理就是完成了一个"复制并插入代码"的工作。

编译的时候，并不会去找 b.cpp 文件中的函数实现，只有在 link 的时候才进行这个工作。我们在 b.cpp 或 c.cpp 中用 #include "a.h" 实际上是引入相关声明，使得编译可以通过，程序并不关心实现是在哪里，是怎么实现的。源文件编译后成生了目标文件（.o 或 .obj 文件），目标文件中，这些函数和变量就视作一个个符号。在 link 的时候，需要在 makefile 里面说明需要连接哪个 .o 或 .obj 文件（在这里是 b.cpp 生成的 .o 或 .obj 文件），此时，连接器会去这个 .o 或 .obj 文件中找在 b.cpp 中实现的函数，再把他们 build 到 makefile 中指定的那个可以执行文件中。

在 Unix下，甚至可以不在源文件中包括头文件，只需要在 makefile 中指名即可（不过这样大大降低了程序可读性，是个不好的习惯哦^_^）。在 VC 中，一帮情况下不需要自己写 makefile，只需要将需要的文件都包括在 project中，VC 会自动帮你把 makefile 写好。

通常，C++ 编译器会在每个 .o 或 .obj 文件中都去找一下所需要的符号，而不是只在某个文件中找或者说找到一个就不找了。因此，如果在几个不同文件中实现了同一个函数，或者定义了同一个全局变量，链接的时候就会提示 "redefined"。

综上所诉

.h文件中能包含：

• 类成员数据的声明，但不能赋值
• 类静态数据成员的定义和赋值，但不建议，只是个声明就好。
• 类的成员函数的声明
• 非类成员函数的声明
• 常数的定义：如：constint a=5;
• 静态函数的定义
• 类的内联函数的定义

不能包含：

• 1． 所有非静态变量（不是类的数据成员）的声明
• 2。 默认命名空间声明不要放在头文件，using namespace std;等应放在.cpp中，在 .h 文件中使用 std::string

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