C++笔记: 定义，声明，头文件及其他

首先必须区分各种对象（这里的“对象”是一个广义的说法，它包括变量、函数、类等等东西）的定义(definition)和声明(declarition)。下面来分如下几种主要情况讨论：

1. 函数

我觉得这是一种最容易理解的情况。函数的声明就是函数原型，函数的定义就是函数的具体实现。编译器在遇到一个函数调用语句时，必须知道这个函数的原型以进行相应的类型检查，因此必须把该函数的声明（当然定义也可以，因为在此时定义隐含了声明）放在前面。

只要是比ACM题目那种一百行左右代码再大一点的项目，一般都不会把所有代码写在一个文件里。注意编译器的执行过程是分两步的，首先把每个.cpp文件（或者.c, .cc等等）分别编译成目标文件（通常是.o, .obj等等），然后再用链接器把目标文件组装成一个可执行文件。注意“分别”两字，也就是说，编译器必须能够不依赖其他cpp文件就可以把当前的cpp文件编译成目标文件。

我们先不考虑类等等内容，假设现在我实现了一系列逻辑上有一定关联的工具函数，为了清楚起见我把它们放在同一个util.cpp文件里，而把使用这 些工具函数的其他代码放在文件main.cpp里，那么要编译main.cpp，必须知道里面用到的工具函数的原型，所以必须在main.cpp里有一份 该函数的声明（只需要声明就够了，编译器可以据此生成压栈、取返回值等等汇编代码，至于函数内部的实现代码是在util.o目标文件里，等链接的时候组装 在一起就可以）

然而，当有多个cpp文件都要用到这些工具函数时，如果我们每次都要在cpp文件前面附加一堆函数声明的话，就显得有点太啰嗦了。于是头文件就派上用场了。这时惯常的做法是把util里（想提供给外界使用的）函数的声明放在.h头文件里，如果另外的cpp文件要用到某个函数，只要把对应的头文件include进来即可。注意一定不要把函数的定义放在头文件里，否则的话，如果这个头文件被包含进多个cpp文件里，在链接时就会出现函数重定义的错误。也就是说，函数可以声明多次，但只能定义一次（有一个例外下面会提到）。

另外一点是，如果不想某个文件里的函数被外面看到，应该用static修饰。应该只开放那些想公开的函数，并把想公开的函数的声明放到对应的头文件里。

这里再插一句，头文件只是为了方便程序员，编译器是看不到头文件的，把include的文件插入到相应的位置之类的事情都是预处理器完成的。头文件不必有对应的.cpp文件，不必是.h扩展名，实际上它可以是随便什么东西，只要你愿意就好，编译器根本不care。

关于头文件还有一点，如果我们不小心的话，经常会出现同一份头文件被包含了多次的情况（有时候可能是不可避免的）。比如我自己写了一个 roba.h，里面有一句#include <string>，又写了一个main.h，里面即include了roba.h，又include了<string>，这样 string就被包含了两次。这样就有可能出现重复定义（因为头文件里不止有函数声明，还有比如类的定义），这时我们可以用#ifndef这个东西控制这 个头文件的内容只被包含一次。常见写法如下:

  #ifndef _ROBA_H_
  #define _ROBA_H_
  //...
  //the body of roba.h
  //...

  #endif

最后再说一下inline函数，这是一个特例，inline函数的定义应该写在头文件里。因为编译器要内联这个函数，就必须知道函数的实现，不然的话是无法单独编译出一个目标文件的。对inline函数不必担心重定义的问题，它可以看作局部于所在的源文件的。

2. 变量

这里主要是讨论全局变量的使用，对于局部变量（即在函数内部定义的，在栈上分配空间的变量）不予考虑。全局变量的情况与前一篇说的函数的情况类似，但是更迷惑人一些。全局变量的定义是在所有函数的外面，比如下面语句：

  int roba;

定义了一个叫做roba的int型全局变量。而全局变量的声明是这样：

  extern int roba;

全局变量与函数一样要求，定义只能一次，声明可以多次，在使用前编译器必须看到声明。如果多个源文件要共享一个全局变量，初学者常犯的错误有两种： 一种是在多个文件中都写了int roba;，这样会导致链接时发生重复定义的错误；另一种是只在一个文件中写了int roba;，以为在其他的文件的文件中可以直接用，但实际上因为在其他文件中没有对这个全局变量的声明，所以会发生编译错误。正确的写法是，在某一个文件 中用int roba的形式定义，而在其他用到该变量的文件中用extern int roba的形式声明。

如果要把变量放到头文件里，从前面的讨论可以看出，一定不要把int roba;这样的定义放进去（因为这样的话如果这个头文件被包括进多个cpp文件就会产生重复定义），而应该写extern int roba;这样的声明，然后在某个cpp文件中定义int roba; 。

与函数类似，如果我们不想其他的文件看到某个全局变量，也可以用static修饰它，表示它的作用域局部于此文件内。（注意我说的不是static的局部变量）

下面又开始说特例了。对于这种写法：

  extern int roba = 1;

是被当作定义而不是声明的，尽管加了一个extern。

另外一个要注意的是const型的全局对象，它默认是局部于文件的，也就是说默认就是static的。这是因为C++允许（并且鼓励）这样的写法：

  const int N = 100;
  int loli[N];

我们可以看出，编译器必须知道N的值以后，才能确定loli数组的大小并生成相应代码。所以如果像非const的全局变量一样，把const int N定义在别的文件里，编译器就没办法在编译时知道它的值，也就不能单独编译这个cpp文件，这就违反了上次说的那个要求。基于这个考虑，C++规定const全局对象是局部于文件的，也就是说我们可以安全地把 const int N = 100; 这样的东西放在头文件里，不会出现重定义。

我们也可以用extern const int N = 100;这样的写法强制使其全局可见，在其他的文件中用extern const int N;来进行声明，但我认为这样会产生不必要的混乱，对程序效率也并没有提升。可能有人会觉得如果在每个文件里声明一个局部于本文件的全局const对象会 浪费空间，但实际上编译器基本都会把这个const优化掉的，产生的效果和古老的 #define N 100 宏定义是一样的。

(待续)