C++ 多文件结构和编译预处理命令——C++程序的一般组织结构

1. C++程序的一般组织结构

C++源程序的结构基本上都是由3个部分构成：类的定义、类的成员的实现和主函数。因为所编写的程序比较小，所以这三个部分都写在了同一个文件当中。在规模比较大的项目中，往往需要多个源程序文件，每个源程序文件称为一个编译单元。这时C++语法要求一个类的定义必须出现在所有使用该类的编译单元中。习惯的做法是把类的定义写在头文件中，使用该类的编译单元则包含这个头文件。通常一个项目至少划分为3个文件：类定义文件（*.h文件）、类实现文件（*.cpp文件）和类的使用文件（*.cpp，主函数文件）。对于更复杂的程序，每一个类都有单独的定义和实现文件。采用这样的结构，可以对不同的文件进行单独编写、编译，最后再连接，同时可以充分利用类的封装性，在程序的调试、修改时只对其中一个类的定义和实现进行修改，而其余部分不用改动。

【例】具有静态数据、函数成员的Point类，多文件组织。
（1）文件1，类的定义：point.h

#pragma once
class Point//类的定义
{
public://外部接口
	Point(int x, int y) :x(x), y(y) { count++; }
	Point(const Point& p);
	~Point() { count--; }
	int getX() { return x; }
	int getY() { return y; }
	static void ShowCount();//静态函数成员
private://私有函数成员
	int x, y;
	static int count;//静态数据成员
};

（2）文件2，类的实现：point.cpp

#include<iostream>
#include"Point.h"
using namespace std;

int Point::count = 0;//使用类名初始化静态数据成员
Point::Point(const Point& p):x(p.x),y(p.y)//拷贝构造函数的实现
{
	count++;
}
void Point::ShowCount()//静态函数成员ShowCount()的实现
{
	cout << "对象的数量" <<count<< endl;
}

（3）文件3，主函数文件的实现：Main.cpp

#include<iostream>
#include"Point.h"
using namespace std;

int main()
{
	Point a(4, 5);
	cout << "Point A: " <<"("<< a.getX() << "," << a.getY()<<")    ";
	Point::ShowCount();

	Point b(a);
	cout << "Point B: " <<"("<< b.getX() << "," << b.getY()<<")    ";
	Point::ShowCount();

	return 0;
}

运行结果：

分析整个源程序的结构，C++多文件组织结构图，由3个单独的文件构成，它们相互关系和编译、连接过程如下图所示（这是windows操作系统的情形）：

在多文件结构中，可以看到两个.cpp文件中都增加了一个新的include语句。在使用输入输出操作时，需要使用#include<iostream>，将系统提供的标准头文件iostream包含到源程序中。这里，同样需要使用语句#include"Point.h"将自定义的头文件包含进来。C++中的#include指令的作用就是将指定的文件嵌入到当前的源文件中#include指令所在的位置，这个嵌入的文件可以是.h文件，也同样可以是.cpp文件。

指令include可以有两种写法。第一种写法是#include<文件名>，表示按照标准方式搜索要嵌入的文件，该文件位于编译环境的include子目录下，一般要嵌入系统提供的标准文件时采用这样的方式，如对标准头文件iostream的包含。另一种写法是#include"文件名"，表示首先在当前目录下搜索要嵌入的文件，如果没有，再按照标准方式搜索，对用户自己编写的文件一般采用这种方式，如本例中类的定义文件Point.h。

#include属于预处理指令。

从C++多文件组织结构图中可以看出，两个.cpp文件被分别编译生成各自的目标文件.obj，然后再与系统的运行库共同连接生成两个可执行文件.exe。如果只修改类的成员函数的实现部分，则只重新编译Point.cpp并连接即可，其余的文件可以看都不用看。所以，如果是一个语句很多、规模很大的程序，效率就会得到显著的提高。

这种多文件组织技术，在不同环境下有不同的方式来完成。在Windows系列操作系统下的C++一般使用工程来进行多文件管理，在Unix系列操作系统下一般可以用make工具完成。

决定一个声明放在源文件中还是头文件中的一般原则是，将需要分配的空间的定义放在源文件中，例如函数的定义（需要为函数代码分配空间）、命名空间作用域中的变量的定义（需要为变量分配空间）等；而将不需要分配空间的声明放到头文件中，例如类声明、外部函数的原型声明、外部变量的声明、基本数据类型常量的声明等。内联函数比较特殊，由于它的内容需要嵌入到每个调用他的函数中，所以对于那些需要被多个编译单元调用的内联函数，它们的代码应该被各个编译单元可见，这些内联函数的定义应当出现在头文件中。

【注意】如果误将分配了空间的定义写入到头文件中，在多个源文件包含该头文件时，会导致空间在不同的编译单元中被分配多次，从而在连接时引发错误。