C语言#include头文件真的是插入代码吗?头文件并不是编译单元?为什么会有头文件循环依赖?如何得到编译器预处理头文件搜索路径?如何得到编译器预处理搜索到的头文件位置?源代码一定需要包含头文件吗?

C语言#include头文件真的是插入代码吗?

编译器理论和实作

既是又不是。

• 从编译器理论理解，#include头文件"相当于"插入了头文件的代码，以供源代码引用(宏定义、函数声明、其他头文件引入等等)，这仅仅是理论的效果。利用GCC -E或者MSVC /E或/P选项可以看到"插入"的效果。
• 从编译器实作角度，为了提高效率，编译器在编译源代码的时候并不会将#include头文件直接插入到当前编译的源代码，一则会产生代码插入，源代码所在的内存移动，二则不利于相同头文件的优化。主流编译器的做法是单独申请内存保存文件并记录#include行号以便处理完头文件后继续编译当前源代码。

引用大量头文件造成编译耗时灾难

• 如果你看过windows.h或者看过C/C++/ObjC大工程，尤其源代码开头一堆头文件，修改某一个base头文件造成大量源代码被编译，鉴于此，C++20引入modules减少头文件包含编译时间，虽然Java/C#/Python早就抛弃头文件采用import module.
• 预编译头文件以及头文件缓存都是头文件优化策略。
• VS .pch和GCC的.gch都属于预编译头文件，注意一般选择稳定不会被经常改动的头文件。
• 确认预编译头文件真的加速编译过程，在VS选项中可开启"生成计时"可查看编译过程各个工具消耗的时间。
  • 生成计时: "工具" -> "选项" -> "项目和解决方案" -> "VC++项目设置" -> "生成计时"

头文件并不是编译单元?

经常写C/C++代码的人，会注意到，编译器提示的日志基本不会包含.h的编译，除非是.h有报错才会提示.h的讯息。这是因为，C/C++的编译单元是源代码.c或.cpp, 而非.h. .h只是辅助.c/.cpp而已，给编译器看，编译器根本没把.h当人。

• 编译单元（Compilation Unit）是编程语言和编译器中的一个概念，它指的是源代码文件在编译过程中被编译器处理的最小单位。
• 大部分编程语言的编译单元都是源代码文件。

为什么会有头文件循环依赖?

有头文件的编程语言体系中，头文件的本意是给其他文件提供基本的类型、声明或者宏等讯息供参考，让编译器知晓这些类型讯息。一般的原则是，越是common的头文件会被其他头文件依赖，即xxx.h很可能会包含common.h. 但定义common以及不同头文件的依赖很可能陷入一个困境，大家都想要对方头文件的讯息，这就出现了头文件循环依赖。

• 一种解法是更好地规划头文件。
• 另外一种解法，C/ObjC/C++都提供前向声明解决循环依赖。例如C语言的struct xxx, ObjC的@class xxx， C++的class xxx.

如何得到编译器预处理头文件搜索路径?

gcc可以通过--verbose获取。例如gcc --verbose demo.c

#include "…" search starts here:

#include <…> search starts here:

/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include
/usr/local/include
/usr/include/x86_64-linux-gnu
/usr/include
End of search list.

如何得到编译器预处理搜索到的头文件位置?

gcc可以通过-MD命令获取编译的头文件依赖关系。例如gcc -MD demo.c可以得到类似如下：

demo.o: demo.c /usr/include/stdc-predef.h /usr/include/stdio.h \

 /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h \

 /usr/include/features.h /usr/include/features-time64.h \

 /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h \

 /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/timesize.h \

......

源代码一定需要包含头文件吗?

头文件并非一定需要包含进来，而是有需要的时候包含进来，以让编译器了解类型声明或宏代替。

• 例如，int main() { return 0; } 不需要包含任何头文件即可编译，所有词法token默认都可由编译器正确解析。
• 即使是用到C库函数，也不一定要包含stdxxx.h, 在代码开始增加它的声明即可。链接器知道从libc中找到对应函数实现即可。
• Go语言用import引入库，如果没有使用库，也可以没有import语句。比如使用print而不是fmt.Println, 不需要import "fmt".

声明包

• Go语言一定需要声明所属的包，即package xxx语句一定需要出现在源代码开始。

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