C/C++ 头文件和源文件：它们是如何工作的？

引言

我写这篇文章主要是为了我的一个朋友。然而，如果我不与大家分享，我将是对社区的失职，所以就分享给大家了。

我们将探讨头文件和源文件以及它们的作用。大部分代码在 C 和 C++ 中都能工作，但 C++ 特定的代码会明确标识。

我会尽量简短，只涵盖要点。

理解这段乱码

头文件和源文件之间的关系起初可能令人困惑。多年前我在自学 C 和 C++ 时，我很难理解它们之间的关系以及在哪里使用它们。

其中一部分原因是未能完全理解原型声明的必要性，也未能理解 C 或 C++ 中的链接过程。我们将在本文中对此进行讲解。

协议（Prototypes）

在使用结构体、变量或函数之前，必须先声明它们。对于函数，您可以并且通常应该在函数实现本身之前提供函数的原型。原型本质上只是函数签名，即返回类型、名称、参数以及任何修饰符，例如 static 或 (C++) const。

考虑以下内容

int sum(int lhs, int rhs);

这是名为 sum 的函数的函数原型。请注意，我们没有在其后加上 { }，也没有在此处包含任何实现。相反，它以分号结尾，这向编译器表明这是一个原型而不是函数本身。

一旦声明了原型，您就可以使用该函数，即使它出现在文件中的更晚位置，甚至出现在单独的 C 或 C++ 源文件中。

没有头文件

当您使用 #include 包含头文件时，编译器（严格来说是预处理器）会将包含的内容逐字复制到包含它的文件中，就在 #include 指令出现的那一行。这发生在任何源代码实际编译之前。编译发生在稍后。

因此，编译过程本身并没有头文件。所有内容都已转换为 C++ 源文件，头文件已直接复制到源文件本身。

如果我们把 sum() 的原型放在头文件 (mymath.h) 中，把实现放在源文件 (main.c) 中，这一切都能正常工作

mymath.h

#ifndef MYMATH_H
#define MYMATH_H

int sum(int lhs, int rhs);

#endif // MYMATH_H

您可能会问 #ifdef/#define/#endif 这些是什么？由于 C 和 C++ 的工作方式，您很可能会多次包含一个头文件，因为您会包含不止一个文件，而这些文件本身又包含同一个文件。围绕 sum() 的这些代码确保只有第一次包含会被编译器处理。

在 C++ 中，首选的替代方法是

#pragma once

int sum(int lhs, int rhs);

您应该始终在您编写的任何头文件中使用这些技术之一。

main.c

#include <stdio.h>
#include "mymath.h"

int main(int argc, char** argv) {
    printf("2 + 3 = %d\n", sum(2, 3));
}

int sum(int lhs, int rhs) {
    return lhs + rhs;
}

您会注意到第一个 include 周围有尖括号。这意味着编译器将搜索预定义的 include 文件夹。这通常意味着“系统”和“标准”头文件。使用引号时，预处理器会相对于源文件目录进行搜索。

在 main() 中，我们使用 sum()，而它并没有先在此文件中声明。通常，在使用函数之前，我们至少需要提供一个原型（或完整的实现）。但是，我们已经这样做了——只是不在这个文件中，而是在 mymath.h 中。

在编译器开始编译之前，让我们看一下代码的最终形式。

main.c (预处理后)

// <stdio.h> omitted but would otherwise be here

//ifndef MYMATH_H
//define MYMATH_H

int sum(int lhs, int rhs);

//endif // MYMATH_H

int main(int argc, char** argv) {
    printf("2 + 3 = %d\n", sum(2, 3));
}

int sum(int lhs, int rhs) {
    return lhs + rhs;
}

这就是编译器“看到”的内容（减去注释，我只是为了让一切都更清楚而添加了注释）。

在此版本中，原型出现在函数使用之前，这满足了编译器的要求。

但是为什么？

特别敏锐的读者可能会想，既然我们可以将所有内容都放在头文件中，然后只使用一个包含所有头文件的源文件，为什么我们还要费心同时拥有头文件和源文件。

您会很快发现，这样做是行不通的，特别是当您有多个源文件包含同一个头文件时。您将由于重复的函数实现而遇到链接器错误。

总的来说，您希望将实现保留在源文件中，将您的 struct 或 (C++) class 声明和函数原型保留在头文件中，并将这些东西的实现保留在相关的源文件中。创建“仅头文件”库是可能的，它们可能有一些优点和缺点。创建仅头文件库超出了本文的范围。

在 C++ 中，有一些例外情况，例如模板。当您声明一个 template 时，声明一个原型以及一个实现是不现实的，因此 C++ 标准没有这样做。因此，所有模板代码——包括实现——都属于头文件。C++ 中的另一个情况是您有一个 inline 函数。您可以将实现放在头文件中，但不必这样做。

多个源文件

您的编译器会为项目中的每个源文件创建一个二进制文件。然后，它会将这些二进制文件链接在一起，将这些二进制文件合并成一个可执行文件。

多个源文件允许您更好地组织源代码，并且也使得将第三方源代码包含到您的项目中更加现实。

正如 **steveb** 在本文的评论中指出的那样，它还允许 C++ 编译器只重新编译它需要的源文件，所以如果一个文件发生变化，它就不需要重新编译所有其他文件。

然而，正如前面提到的，您必须设计您的头文件，只包含原型和类型声明，否则您将无法在一个以上的源文件中使用该头文件，因为会有重复的函数实现，即使它们在不同的二进制文件中。一旦链接器尝试链接二进制文件，它就会失败，因为它找到了不止一个函数的副本，并且不知道使用哪一个。

总的来说，当您创建一个头文件时，它应该有一个与之关联的源文件，其基本名称相同，但扩展名不同。例如，我们可能有一个名为 mymath.c 的源文件来配合 mymath.h

mymath.c

#include "mymath.h"

int sum(int lhs, int rhs) {
    return lhs + rhs;
}

请注意，我们包含了相关的头文件。这并不总是严格必需的，但通常是必需的，而且这是一个好习惯，因为它有助于读者理解哪个头文件与之相关。

现在在 main.c 中，我们需要移除 sum() 的实现。编译代码时，您将指定两个源文件。根据您的工具链，您要么将多个源文件传递给调用链接器的编译器，要么将每个源文件编译并作为单独的步骤运行链接器。

结论

希望这能为您解开 C 和 C++ 头文件和源文件的一些谜团。掌握这些知识后，您应该能够更好地组织您的项目，并理解其他项目。祝您编码愉快！

历史

• 2022 年 9 月 3 日 - 首次提交