C/C++头文件的作用和用法

示例代码编译运行环境：VS2012+Debug+Win32。

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头文件是C/C++程序不可缺少的组成部分。使用头文件，应该注意头文件的作用和用法相关知识点。

1.头文件的作用

C/C++编译器采用的是分离编译模式。在一个项目中，有多个源文件存在，但是它们总会有一些内容是相同的，如使用相同的用户自定义类型、使用了相同的全局变量等。因此，将这些内容抽取出来放到头文件中，然后在提供给各个源文件包含，就可以避免这些内容的重复书写，提高编程效率和代码安全性。

所以，设立头文件的目的主要是：提供全局变量、全局函数的声明或提供公用数据类型的定义，从而实现分离变异或代码复用。

在这里，有一个判断头文件中的内容是否合适的简单准则：规范的头文件应该被多个源文件包含而不引发编译错误。
概括的说，头文件有如下三个作用。
（1）加强类型检查，提高代码得类型安全性。
在C++中使用头文件，对自定义类型的安全也是非常重要的。虽然，在语法上，同一个数据类型（如一个class）在不同的源文件中书写多次是允许的，程序员认为他们是同一个自定义类型。但是，由于用户自定义类型不具有外部连接特性，编译器并不关心该类型的多个版本之间是否一致，这样会导致逻辑错误的发生。考察如下程序。

//source1.cpp#include <iostream>class A{private:    char num;public:    A();    void show();};void A::show(){    std::cout<<num<<std::endl;}void see(A& a){    a.show();}//end source1.cpp//source2.cpp#include <iostream>class A{private:    int num;public:    A(){num=5;};    void show();};void see(A& a);int main(){    A a;    see(a);    getchar();}//end source2.cpp

这个程序能够顺利通过编译并正确的运行，在在构成项目的两个源文件中，对class A的定义出现了一点小小的不一致。两个源文件中，成员变量num一个是char类型，一个是int类型，这就导致了输出了一个特殊得字符。

如果将class A的定义放到一个头文件中宏，用到class A的源文件都将这个头文件包含进来，就可以绝对保证数据类型的一致性和安全性。

（2）减少代码的重复书写，提高编写和修改程序的效率。
在程序开发的过程中，对某些数据类型或者接口进行修改是难免的，使用头文件，只需要修改头文件中的内容，就可以保证修改在所有源文件中生肖，从而避免了繁琐易错的重复修改。

（3）提供保密和代码重用的手段。
头文件也是C++代码虫蛹即只中不可缺少的一种手段，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的接口声明来调用库功能，而不必关心接口是怎么实现的，编译器会从库中提取相应的代码。

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2.头文件的用法

2.1头文件中的内容

设立头文件的目的主要是：提供全局变量、全局函数的声明或提供公用数据类型的定义，从而实现分离变异或代码复用。

因此，下面的这些内容应该放在头文件中：外部函数原型声明、全局变量声明、自己顶一顶额宏和类型等。

下面这些内容不应该放在头文件中：全局变量的定义、外部变量的定义、静态变量和静态函数的的定义、在类体之外的类成员函数的定义等。

头文件应该包含和不应该包含什么内容，都是为了满足头文件被多个源文件包含而不引发编译错误。

2.2使用系统提供的头文件

C语言系统环境提供的头文件都是以.h结尾的，如stdio.h等。C++语言最初的目的是成为一个“更好的C”，所以C++语言沿用了C语言头文件的命名习惯，将头文件后面加上.h标志。随着C++语言的发展，C++加入了全新的标准库，为了避免与C发生冲突，C++引入了命名空间来避免名称冲突，也去掉了头文件的.h后缀。

于是，在一段时间里，很多头文件有两个版本，一个以.h结尾，而另一则不是，如iostream.h（位于全局名字空间）和iostream（位于名字空间std）。程序员编写程序也有不同的选择，很多C++源程序以这样的语句开始：

#include <iostream.h>

而另一些，则以这样的两条语句开始：

#include <iostream>using namespace std;

这种现象有些混乱，于是C++标准委员会规定，旧C头文件（如stdio.h）和C++中新的C头文件（如cstdio）继续使用，但是旧的C++头文件（如iostream.h）已被废弃，一律采用C++新标准规定的头文件（如iostream）。
另外，在包含系统头文件的时候，应该使用<>（尖括号）而不是””（双引号）。例如应该这样包含头文件iostream:

#include <iostream>

而不是这样：

#include “iostream”

双引号””用来包含自定义的头文件，用它来包含系统头文件是一种不良的编程习惯。

2.3避免头文件被重复包含

C++语言中的内容，有的在项目一级的范围内只能出现一次，如全局变量的定义、函数的定义等。有的可以在项目一级的范围出现多次，但在一个源文件中只能出现一次，如class的定义等；还有的在一个源文件中可以出现多次，如函数声明等。注意，项目一级可以理解为项目的所有源文件。由于事先无法无法确定头文件的内容，应该不免在一个源文件中对同一头文件包含多次，以免引起重定义错误。考察如下程序。

//header1.hclass A{int num;public:A();void show();};//end header1.h//header2.h#include “header1.h”class B{A a;public:    void disp();};//end header2.h//main.cpp#include <iostream>#include “header1.h”#include “header2.h”A::A(){    num=5;}void A::show(){    std::cout<<num<<std::endl;  }int main(){A a;a.show();}//end main.cpp

这个程序无法通过编译，原因是class A在源文件main.cpp中被定义了两次，这是由于头文件header2.h包含了header.1，在源文件main.cpp包含了header2.h，也包含了header1.h，这就导致header1.h在main.cpp中被包含了两次，也就造成了class A重复定义。

一个头文件被别的源文件重复包含是经常发生的，如何避免某个头文件被重复包含呢？利用条件编译轻松解决。在头文件的开始加入：

#ifndef HEADER_NAME#define HEADER_NAME

在头文件的结尾加上：

#endif

HEADER_NAME指的是头文件的名称。将这些条件编译预处理指令加入上面的示例程序中的两个头文件，问及即可解决。
阅读以上的示例代码，需要注意一下几点：

（1）条件编译指令#ifndef HEADER_NAME和#endif的意思是：如果条件编译标志HEADER_NAME没有定义的话，就编译#ifndef和#endif之间的程序段，否则就忽略它。课件，头文件header1.h只要被包含一次，条件编译标志宏HEADER_NAME就会被定义，这样就不会被再次包含。

（2）iostream是系统提供的头文件，所以被包含时在头文件两边使用尖括号<>，而header1.h和header2.h是用户自定义的头文件，被包含时使用双引号””。

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参考文献

[1]陈刚.C++高级进阶教程[M].武汉：武汉大学出版社，2008.