C++头文件与源文件，编译过程

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。

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。

编译器的工作过程
                         

第一个阶段是预处理阶段，在正式的编译阶段之前进行。预处理阶段将根据已放置在文件中的预处理指令来修改源文件的内容。

把你所有引用的头文件打开来插入到我们本身的程序中。预处理阶段会把我们程序中的所有宏进行替换掉，我们经常在程序开头定义一个宏定义，那宏定义的替换就是在预处理阶段完成的。

我们在编写程序的时候常常会写入一些注释，对程序并没有作用，所以在预处理阶段程序会把我们写入的编译删除掉，机器是看不到我们写的注释的。
我们的条件编译我们常常会写#ifdef这时候我们不符合条件的那一部分我们机器也是不会看到的，他不会进入到编译阶段。

第二个阶段主要完成的任务就是由编译器来检查一下你的程序是不是有问题是不是有一些语法错误，在vs下编写程序的时候也会编译一下看看我们的程序有没有error或者warning再去执行。当你的程序没有问题的时候编译还会把c程序编程汇编语言。

第三阶段是汇编阶段，这一阶段就是把我们第二阶段生成的汇编代码变成我们的可执行文件，也就是把我们的汇编语言变成机器语言

第四个阶段是链接，例如，某个源文件中的函数可能引用了另一个源文件中定义的某个符号（如变量或者函数调用等）；在程序中可能调用了某个库文件中的函数，等等。所有的这些问题，都需要经链接程序的处理方能得以解决。

头文件和源文件的区别

头文件和源文件在本质上没有任何区别。 只不过一般：后缀为 .h 的文件是头文件，内含函数声明、宏定义、结构体定义等内容。后缀为 .c 的文件是源文件，内含函数实现，变量定义等内容。而且是什么后缀也没有关系，只不过编译器会默认对某些后缀的文件采取某些动作。这样分开写成两个文件是一个良好的编程风格。

      简单的说其实要理解C文件与头文件（即.h）有什么不同之处，首先需要弄明白编译器的工作过程，一般说来编译器会做以下几个过程：
　　①预处理阶段
　　②词法与语法分析阶段
　　③ 编译阶段，首先编译成纯汇编语句，再将之汇编成跟CPU相关的二进制机器码，生成各个目标文件 (.obj文件)
　　④连接阶段，将各个目标文件中的各段代码进行绝对地址定位，生成跟特定平台相关 的可执行文件，当然，最后还可以用objcopy生成纯二进制码，也就是去掉了文件格 式信 息。（生成.exe文件）

      编译器在编译时是以C文件为单位进行的，也就是说如果你的项目中一个C文件都没有，那么你的项目将无法编译，连接器是以目标文件为单位，它将一个或多个目标文件进行函数与变量的重定位，生成最终的可执行文件，在PC上的程序开发，一般都有一个main函数，这是各个编译器的约定。

                                           （main .c文件   目标文件obj   可执行文件exe ）

       有了这些基础知识，再言归正传，为了生成一个最终的可执行文件，就需要一些目标文件，也就是需要C文件，而这些C文件中又需要一个main函数作为可执行程序的入口，那么我们就从一个C文件入手，假定这个C文件内容如下：     

#include "mytest.h"
 
int main(int argc,char **argv) 
{ 
test = 25; 
printf("test.................%d/n",test); 
}
 
头文件内容如下： 
int test;

现在以这个例子来讲解编译器的工作： 

1.预处理阶段：编译器以C文件作为一 个单元，首先读这个C文件，发现第一句是包含一个头文件，就会在所有搜索路径中寻找这个文件，找到之后，就会将相应头文件中再去处理宏，变量， 函数声明，嵌套的头文件包含等，检测依赖关系，进行宏替换，看是否有重复定义与声明的情况发生，最后将h文件中所有的内容全部扫描进这个当前的C文件中，形成一个中间“C文件”

2.编译阶段，在上一步中相当于将那个头文件中的test变量扫描进了一个中间C文件，那么test变量就变成了这个文件中的一个全局变量，此时就将所有这个中间C文件的所有变量，函数分配空间，将各个函数编译成二进制码，按照特定目标文件格式生成目标文件，在这种格式的目标文件中进行各个全局变量，函数的符号描述，将这些二进制码按照一定的标准组织成一个目标文件。

3.连接阶段，将上一步成生的各个目标文件，根据一些参数，连接生成最终的可执行文件，主要的工作就是重定位各个目标文件的函数，变量等，相当于将个目标文件中的二进制码按一定的规范合到一个文件中。

回到C文件与头文件各写什么内容的话题上：
       理论上来说C文件与头文件里的内容，只要是C语言所支持的，无论写什么都可以的，比如你在头文件中写函数体，只要在任何一个C文件包含此头文件就可以将这个函数编译成目标文件的一部分（编译是以C文件为单位的，如果不在任何C文件中包含此头文件的话，这段代码就形同虚设），你可以在C文件中进行函数声明，变量声明，结构体声明，这也不成问题！！！

       那为何一定要分成头文件与C文件呢？为何一般都在头件中进行函数，变量声明，宏声明，结构体声明 呢？而在C文件中去进行变量定义，函数实现呢？

原因如下： 

1.如果在h文件中实现一个函数体，那么如果在多个C文件中引用它，而且又同时编译多个C文件，将其生成的目标文件连接成一个可执行文件，在每个引用此头文件的C文件所生成的目标文件中，都有一份这个函数的代码，如果这段函数又没有定义成局部函数，那么在连接时，就会发现多个相同的函数，就会报错。

2.如果在h文件中定义全局变量，并且将此全局变量赋初值，那么在多个引用此头文件的C文件中同样存在相同变量名的拷贝，关键是此变量被赋了初值，所以编译器就会将此变量放入DATA段，最终在连接阶段，会在DATA段中存在多个相同的变量，它无法将这些变量统一成一个变量，也就是仅为此变量分配一个空间，而不是多份空间，假定这个变量在头文件没有赋初值，编译器就会将之放入 BSS段，连接器会对BSS段的多个同名变量仅分配一个存储空间 。

3.如果在C文件中声明宏，结构体，函数等，那么我要在另一个C文件中引用相应的宏，结构体，就必须再做一次重复的工作，如果我改了一个C文件中的一个声明，那么又忘了改其它C文件中的声明，这不就出了大问题了，如果把这些公共的东东放在一个头文件中，想用它的C文件就只需要引用一个就OK了！！！这样岂不方便，要改某个声明的时候，只需要动一 下头文件就行了 

4.在头文件中声明结构体，函数等，当你需要将你的代码封装成一个库，让别人来用你的代码，你又不想公布源码，那么人家如何利用你的库中的各个函数呢？？一种方法是公布源码，别人想怎么用就怎么用，另一种是提供头文件，别人从头文件中看你的函数原型，这样人家才知道如何调用你写的函数，就如同你调用printf函数一样，里面的参数是怎样的？？你是怎么知道的？？还不是看人家的头文件中的相关声明 啊！！！

c语言中.c和.h文件的困惑
本质上没有任何区别。   只不过一般： 
.h文件是头文件，内含函数声明、宏定义、结构体定义等内容.c文件是程序文件，内含函数实现，变量定义等内容。而且是什么后缀也没有关系，只不过编译器会默认对某些后缀的文件采取某些动作。你可以强制编译器把任何后缀的文件都当作c文件来编。

这样分开写成两个文件是一个良好的编程风格。

比方说 在aaa.h里定义了一个函数的声明，然后在aaa.h的同一个目录下建立aaa.c ， aaa.c里定义了这个函数的实现，然后是在main函数所在.c文件里  #include"aaa.h"  ,然后我就可以使用这个函数了。 main在运行时就会找到这个定义了这个函数的aaa.c文件。

       这是因为：main函数为标准C/C++的程序入口，编译器会先找到该函数所在的文件。假定编译程序编译myproj.c（其中含main()）时，发现它 #include "mylib.h"（其中声明了函数void test()），那么此时编译器将按照事先设定的路径（Include路径列表及代码文件所在的路径）查找与之同名的实现文件（扩展名为.cpp或.c，此例中为mylib.c），如果找到该文件，并在其中找到该函数（此例中为void test()）的实现代码，则继续编译；如果在指定目录找不到实现文件，或者在该文件及后续的各include文件中未找到实现代码，则返回一个编译错误.

     其实include的过程完全可以“看成”是一个文件拼接的过程，将声明和实现分别写在h文件及C文件中，或者将二者同时写在头文件中，理论上没有本质的区别。以上是所谓动态方式。对于静态方式，基本所有的C/C++编译器都支持一种链接方式被称为Static Link，即所谓静态链接。在这种方式下，我们所要做的，就是写出包含函数，类等等声明的头文件（a.h,b.h,...），以及他们对应的实现文件（a.cpp,b.cpp,...），编译程序会将其编译为静态的库文件（a.lib,b.lib,...）。在随后的代码重用过程中，我们只需要提供相应的头文件（.h）和相应的库文件（.lib），就可以使用过去的代码了。相对动态方式而言，静态方式的好处是实现代码的隐蔽性，即C++中提倡的“接口对外，实现代码不可见”。有利于库文件的转发。

.c文件和.h文件的概念与联系
     如果说难题最难的部分是基本概念，程序设计也是如此，如果概念很清晰，那基本上没什么难题(会难在数学上，比如算法的选择、时间空间与效率的取舍、稳定与资源的平衡上)。但是，要掌握清晰的概念也没那么容易。比如下面这个例子，看看你有没有很清晰透彻的认识。

//a.h文件

void foo();
//a.c文件

#include "a.h"   //我的问题出来了：这句话是要，还是不要？
void foo()
{
     return;
}
//main.c文件

#include "a.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
    foo(); 
 　return 0;
} 

针对上面的代码，请回答三个问题：

a.c 文件中的 #include "a.h" 这句话是不是多余的？ 
为什么经常见 xx.c 里面 include 对应的 xx.h？ 
如果 a.c文件中不写，那么编译器是不是会自动把 .h 文件里面的东西跟同名的 .c 文件绑定在一起？ 
        正确的概念是：从C编译器角度看，.h和.c皆是浮云，就是改名为.txt、.doc也没有大的分别。换句话说，就是.h和.c没啥必然联系。.h文件中一般放的是同名.c文件中定义的变量、数组、函数的声明，需要让.c外部使用的声明。这个声明有啥用？只是让需要用这些声明的地方方便引用。因为 #include "xx.h" 这个宏其实际意思就是把当前这一行删掉，把 xx.h 中的内容原封不动的插入在当前行的位置。由于想写这些函数声明的地方非常多（每一个调用 xx.c 中函数的地方，都要在使用前声明一下子），所以用 #include "xx.h" 这个宏就简化了许多行代码——让预处理器自己替换好了。

      也就是说，xx.h文件只是让需要写 xx.c 中函数声明的地方调用（可以少写几行字），至于 include 这个 .h 文件是谁，是 .h 还是 .c，还是与这个 .h 同名的 .c，都没有任何必然关系。

      这样你可能会说：啊？那我平时只想调用 xx.c 中的某个函数，却 include了 xx.h 文件，岂不是宏替换后出现了很多无用的声明？没错，确实引入了很多垃圾，但是它却省了你不少笔墨，并且整个版面也看起来清爽的多。鱼与熊掌不可得兼，就是这个道理。反正多些声明（.h一般只用来放声明，而放不定义）也无害处，又不会影响编译，何乐而不为呢？

翻回头再看上面的3个问题，很好解答了吧？

答：不一定。这个例子中显然是多余的。但是如果.c中的函数也需要调用同个.c中的其它函数，那么这个.c往往会include同名的.h，这样就不需要为声明和调用顺序而发愁了（C语言要求使用之前必须声明，而include同名.h一般会放在.c的开头）。有很多工程甚至把这种写法约定为代码规范，以规范出清晰的代码来。 
答：1中已经回答过了。 
答：不会。

（1）通过头文件来调用库功能。在很多场合，源代码不便（或不准）向用户公布，只要向用户提供头文件和二进制的库即可。用户只需要按照头文件中的接口声明来调用库功能，而不必关心接口怎么实现的。编译器会从库中提取相应的代码。
（2）头文件能加强类型安全检查。如果某个接口被实现或被使用时，其方式与头文件中的声明不一致，编译器就会指出错误，这一简单的规则能大大减轻程序员调试、改错的负担。
头文件用来存放函数原型。

头文件如何来关联源文件？
         已知头文件“a.h”声明了一系列函数(仅有函数原型,没有函数实现)，“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？ 

        编译器预处理时，要对#include命令进行“文件包含处理”：将头文件headfile.h的全部内容复制到#include “headfile.h”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。 

       程序编译的时候，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。源文件编译后成生成目标文件（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obj文件（在这里是b.cpp生成的.obj文件），此时，连接器会去.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VC中，一般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，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”.