每日一问15：C++中的.h,cpp以及.hpp文件

每日一问15：C++中的.h,cpp以及.hpp文件

1. 编译器角度的头文件(.h)和源文件(.cpp)

  先从编译器角度，来看一下头文件(.h)和源文件(.cpp)：

  对于头文件(.h)，在预处理阶段，头文件被包含到源文件后，它的使命就基本结束了。头文件包含了程序运行中可能需要用到的变量和函数等的声明，在编译过程中，编译器只检查所使用的函数和变量的声明是否存在，对于源文件中的实现并不关心。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。链接器会将所有的目标文件链接起来，组成一个exe程序。在link的时候，需要在makefile里面说明需要连接哪个obj文件，此时，链接器去.obj文件中找在.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。

​  一个.cpp对应一个.obj，然后链接器将所有的.obj链接起来，组成一个.exe程序。如果一个.cpp要使用另一个.cpp定义的函数，只需在这个.cpp中写上它的函数声明即可。链接器将所有的obj链接起来，但是如果碰巧有相同的函数或外部变量怎么办？C++可以通过一种叫做链接属性的关键字来限定，某个函数是属于整个程序公用的，还是只在一个编译单元obj里面使用，这些关键字就是extern(外部链接)和static(内部链接)。

2. 为什么需要头文件(.h)和源文件(.cpp)

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西放在一个头文件中，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。

3. 头文件(.h)和源文件(.cpp)中该放些什么

头文件(.h)

  写类的声明（包括类里面的成员和方法的声明）、函数原型、#define常数等，但一般来说不写出具体的实现。在写头文件时需要注意，在开头和结尾处必须按照如下样式加上预编译语句（如下），目的是为了防止重复编译：

#ifndef {Filename} 
#define {Filename} 

//{Content of head file} 

#endif

源文件(.cpp)

  源文件主要写实现头文件中已经声明的那些函数的具体代码。需要注意的是，开头必须#include一下实现的头文件，以及要用到的头文件。

  具体头文件和源文件中该放什么，分类如下：

ps:

• 为什么inline函数的定义要放在头文件中？

  因为在大多数建置环境(build environments)中，inlining是在编译过程中进行的，而为了将一个函数调用替换为被调用函数的本体，编译器必须知道函数的具体实现。程序编译的时候，并不会去找.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中用#include “a.h”(这里的a.h和b.cpp是指这不是一对对应的头文件和源文件）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。

4. 为什么引入.hpp文件

​  hpp文件，其实质就是将.cpp的实现代码混入.h头文件当中，定义与实现都包含在同一文件，则该类的调用者只需要include该cpp文件即可，无需再将cpp加入到project中进行编译。而实现代码将直接编译到调用者的obj文件中，不再生成单独的obj，采用hpp将大幅度减少调用 project中的cpp文件数与编译次数，也不用再发布烦人的lib与dll，因此非常适合用来编写公用的开源库。

​  同时，引入hpp文件很大一个原因就是模板。

​  对于模板，最重要的一点，就是在定义它的时候，编译器并不会对它进行编译，因为它没有一个实体可用。只有模板被具体化（specialization）之后（用在特定的类型上），编译器才会根据具体的类型对模板进行编译。所以才定义模板的时候，会发现编译器基本不会报错，也做不出智能提示。但是当它被具体用在一个类上之后，错误就会大片大片的出现，却往往无法准确定位。因为模板的这种特殊性，它并没有自己的准确定义，因此我们不能把它放在.cpp文件中，而要把他们全部放在.h文件中进行书写。这也是为了在模板具体化的时候，能够让编译器可以找到模板的所有定义在哪里，以便真正的定义方法。
  模板从本质上来讲很像宏，当模板在一个编译单元里被实例化时，它并不知道自己是否在别的编译单元也被实例化了。为了解决这个问题，目前的主流编译器，将每个模板的实例代码都单独存放在一个段里，每个段只包含一个模板实例。比如有个模板函数时add()，某个编译单元以int类型和float类型实例化了该模板函数，那么该编译单元的目标文件中就包含了两个该模板实例的段。在实例化的过程中，必须要知道模板函数的定义，所以模板函数的定义必须放在头文件中。(《程序员的自我修养》P113)

这里的具体分析可以看下面参考博客中的4，5两篇。

5. 使用hpp的注意事项

​  hpp文件也是一个.h文件，所以很多头文件(.h)的注意事项，对.hpp文件同样适用。适用hpp文件的注意事项如下：

1. 不可包含全局对象和全局函数

  由于hpp本质上是作为.h被调用者include，所以当hpp文件中存在全局对象或者全局函数，而该hpp被多个调用者include时，将在链接时导致符号重定义错误。要避免这种情况，需要去除全局对象，将全局函数封装为类的静态方法。

2. 类之间不可循环调用

  在.h和.cpp的场景中，当两个类或者多个类之间有循环调用关系时，只要预先在头文件做被调用类的声明即可，如下：

class B;

class A{
    public:
    	void someMethod(B b);
};

Class B{
    public:
    	void someMethod(A a);
};

  在使用hpp的场景中，由于定义与实现都已经存在于一个文件，调用者必需明确知道被调用者的所有定义，而不能等到cpp中去编译。因此hpp中必须整理类之间调用关系，不可产生循环调用。同理，对于当两个类A和B分别定义在各自的hpp文件中，形如以下的循环调用也将导致编译错误：

//a.hpp
#include "b.hpp"
class A{
    public:
    	void someMethod(B b);
};

//b.hpp
#include "a.hpp"
class B{
    public:
    	void someMethod(A a);
};

3. 不可使用静态成员

​  静态成员的使用限制在于如果类含有静态成员，则在hpp中必需加入静态成员初始化代码，当该hpp被多个文档include时，将产生符号重定义错误。唯 一的例外是const static整型成员，因为在vs2003中，该类型允许在定义时初始化，如：

class A{
    public:
    	const static int a = 100;
}

  如果需要在hpp中使用静态成员，可以考虑用其他方式来迂回实现：

• 使用局部静态变量来模拟
• 采用单例设计模式模拟实现

参考博客：

1. https://www.cnblogs.com/fenghuan/p/4794514.html
2. https://blog.csdn.net/qq_30815237/article/details/88948632
3. http://blog.chinaunix.net/uid-24118190-id-75239.html
4. https://blog.csdn.net/u010608296/article/details/102483031
5. https://www.cnblogs.com/Braveliu/p/12687632.html