多文件编译链接与.h头文件包含规则
如下示例程序，stack.c中定义了一个栈，以及栈的一些简单功能函数：push()，pop()以及is_empty()等。main.c为程序主函数，主要测试了栈的这些功能。
// stack.c
char stack[512];
int top = -1;
void push(char c)
{
stack[++top] = c;
}
char pop(void)
{
return stack[top--];
}
int is_empty(void)
{
return top == -1;
}
// main.c
#include<stdio.h>
int main(void)
{
push('a');
push('b');
push('c');
while(!is_empty())
putchar(pop());
putchar('\n');
return 0;
}
在命令行中使用gcc进行编译：
$ gcc main.c stack.c -o main
也分可以多步编译：
$ gcc -c main.c
$ gcc -c stack.c
$ gcc main.o stack.o -o main
但是编译成功后会报如下警告，如果未报，可添加 -Wall 参数：
main.c: In function ‘main’:
main.c:14:5: warning: implicit declaration of function ‘push’ [-Wimplicit-function-declaration]
14 | push('a');
| ^~~~
main.c:17:12: warning: implicit declaration of function ‘is_empty’ [-Wimplicit-function-declaration]
17 | while(!is_empty())
| ^~~~~~~~
main.c:18:17: warning: implicit declaration of function ‘pop’; did you mean ‘popen’? [-Wimplicit-function-declaration]
18 | putchar(pop());
| ^~~
| popen
警告中提到 push()，pop()以及is_empty()都是隐式声明的函数，这是因为这些函数在调用之前未经声明或者定义（或者其声明定义在其他源文件中），编译器在处理这些函数调用代码时没有找到函数原型，只好根据函数调用代码做隐式声明，进行逆推。
此外，隐式声明的函数返回值类型都默认为 int ，再根据调用当前函数时传入的参数类型来确定函数的参数类型 ，这样函数的参数和返回值类型都确定下来了，编译器根据这些信息为函数调用生成相应的指令。因此，编译器会把这三个函数声明为：
int push(char);
int pop(void);
int is_empty(void);
extern 和 static 关键字
可以使用extern关键字，在函数调用之前进行声明，这样编译器就不会报警告了。
在这里 extern 关键字表示这个标识符具有外部链接External Linkage。push 这个标识符具有External Linkage指的是：如果把 main.c 和 stack.c 链接在一起，如果 push 在 main.c 和 stack.c 中都有声明（在 stack.c 中的声明同时也是定义），那么这些声明指的是同一个函数，链接之后是同一个 GLOBAL 符号，代表同一个地址。函数声明中的 extern 也可以省略不写，不写 extern 的函数声明也表示这个函数具有External Linkage。
#include<stdio.h>
//extern关键字告诉编译器，函数的定义在其他源文件中
extern void push(char);
extern char pop(void);
extern int is_empty(void);
int a, b = 1;
int main(void)
{
push('a');
push('b');
push('c');
while(!is_empty())
putchar(pop());
putchar('\n');
return 0;
}
如果用 static 关键字修饰一个函数声明，则表示该标识符具有内部链接属性Internal Linkage，例如有以下两个程序文件：
/* foo.c */
static void foo(void) {}
/* main.c */
void foo(void);
int main(void) { foo(); return 0; }
编译链接在一起会出错：
$ gcc foo.c main.c
/tmp/ccRC2Yjn.o: In function `main':
main.c:(.text+0x12): undefined reference to `foo'
collect2: ld returned 1 exit status
通俗地来讲，static关键字具有文件作用域，上述程序中，在foo.c中使用static修饰了foo()函数，使得foo()函数只在foo.c文件中可见，对main.c文件不可见，所以在编译过程中找不到foo()函数的定义。
从编译链接的角度来分析：
虽然在 foo.c 中定义了函数 foo ，但这个函数只具有内部链接属性Internal Linkage，只有在 foo.c 中多次声明才表示同一个函数，而在 main.c 中声明就不表示它了。如果把 foo.c 编译成目标文件，函数名 foo 在其中是一个 LOCAL 的符号，不参与链接过程，所以在链接时， main.c 中用到一个External Linkage的 foo 函数，链接器却找不到它的定义在哪儿，无法确定它的地址，也就无法做符号解析，只好报错。
凡是被多次声明的变量或函数，必须有且只有一个声明是定义，如果有多个定义，或者一个定义都没有，链接器就无法完成链接。
使用头文件封装
在上文中提到：在函数调用之前，需要有函数的定义或者声明，否则编译器就会根据函数的调用，自己推导出隐式声明的函数声明，其中函数的返回值默认为 int ，函数参数类型根据调用的实际输入参数确定。但是随着程序的源文件逐渐增多，如果每一个功能文件中都需要调用stack.c里面的函数，则需要在各个文件中重复写函数的声明。重复性的工作应该尽量避免，我们可以写一个stack.h的头文件，将函数的声明放入，需要用到stack.c里面的函数的源文件，只需包含该头文件即可：
#ifndef _STACK_H
#define _STACK_H
void push(char);
char pop(void);
int is_empty(void);
#endif
这样在 main.c 中只需包含这个头文件就可以了，而不需要写三个函数声明：
/* main.c */
#include <stdio.h>
#include "stack.h"
int main(void)
{
push('a');
push('b');
push('c');
while(!is_empty())
putchar(pop());
putchar('\n');
return 0;
}
关于头文件，有以下问题需要注意：
一，尖括号和双引号
包含头文件，有尖括号和双引号之分，这也是一道基础性的C语言面试问题，读者可以做如下实验，包含头文件时全使用尖括号或者双引号，看看是否可以通用：
//报错
#include<stack.h>
#include<stdio.h>
//正常运行
#include"stack.h"
#include"stdio.h"
通过实验可知，二者是不可通用的，尖括号有使用限制，不可以给自己定义的头文件使用尖括号包含,否则会出现如下错误：
main.c:7:9: fatal error: stack.h: 没有那个文件或目录
7 | #include<stack.h>
| ^~~~~~~~~
compilation terminated.
如果全使用双引号，则可以编译成功。
尖括号和双引号的区别如下：
- 对于用角括号包含的头文件， gcc 首先查找 -I 选项指定的目录，然后查找系统的头文件目录（通常是 /usr/include ，在我的系统上还包括 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/include ）；
- 而对于用引号包含的头文件， gcc 首先查找包含头文件的 .c 文件所在的目录，然后查找 -I 选项指定的目录，然后查找系统的头文件目录。
二，头文件路径查找
当前的目录结构如下：
luo@luo-X550JX:~/STUDY/Linux_C/ASM$ tree . ├── main3.c ├── main.c ├── stack.c └── stack.h 0 directories, 4 files
stack.h头文件和stack.c文件与main.c文件在同一个文件夹中。则可以用
gcc -c main.c
编译， gcc 会自动在 main.c 所在的目录中找到 stack.h 。假如把 stack.h 移到一个子目录:
luo@luo-X550JX:~/STUDY/Linux_C/ASM$ tree
.
├── main3.c
├── main.c
└── stack
├── stack.c
└── stack.h
1 directory, 4 files
再次使用gcc -c main.c 编译则会找不到stack.h：
luo@luo-X550JX:~/STUDY/Linux_C/ASM$ gcc main.c -c
main.c:7:9: fatal error: stack.h: 没有那个文件或目录
7 | #include"stack.h"
| ^~~~~~~~~
compilation terminated.
有两种解决办法：
一是使用gcc 的 -I参数指定路径，用 -I 选项告诉 gcc 头文件要到子目录 stack 里找。具体的写法如下：
# 写法1， 使用 -I[dir]格式，直接在I后面接路径名称
$ gcc main.c -c -Istack
# 写法2， 使用 -I [dir]格式，路径和-I分开写
$ gcc main.c -c -I ./stack/
# 编译链接
$ gcc main.c ./stack/stack.c -o main -I ./stack/
二是在 #include 预处理指示中可以使用相对路径，例如把上面的代码改成 #include “stack/stack.h” ，那么编译时就不需要加 -Istack 选项了，因为 gcc 会自动在 main.c 所在的目录中查找，而头文件相对于 main.c 所在目录的相对路径正是 stack/stack.h。
三，头文件重复包含
回到我们一开始写的头文件stack.h中，在 stack.h 中我们看到两个新的预处理指示 #ifndef STACK_H 和 #endif ，#ifndef是if not define的简写，意思是说，如果 STACK_H 这个宏没有定义过，那么就定义一个STACK_H宏，并且开始其他操作，如定义函数或变量，直到#endif这一行为止。如果在包含这个头文件时 STACK_H 这个宏已经定义过了，则直接跳过这段代码。
#ifndef _STACK_H
#define _STACK_H
void push(char);
char pop(void);
int is_empty(void);
#endif
这是为了解决头文件重复包含，而导致的代码冗余，命名冲突，重复定义等一系列问题。假如 main.c 包含了两次 stack.h ：
#include "stack.h"
#include "stack.h"
int main(void)
{
...
则第一次包含 stack.h 时并没有定义 STACK_H 这个宏，因此头文件的内容包含在预处理的输出结果中：
#define STACK_H
extern void push(char);
extern char pop(void);
extern int is_empty(void);
#include "stack.h"
int main(void)
{
...
其中已经定义了这个宏，因此第二次再包含就相当于包含了一个空文件，这就避免了头文件的内容被重复包含。这种保护头文件的写法称为Header Guard，以后我们每写一个头文件都要加上Header Guard，宏定义名就用头文件名的大写形式，这是规范的做法。
在大规模的项目当中，头文件中包含头文件的问题很常见，这样重复包含的问题就很难被发现，虽然程序中的变量和函数可以被重复声明，这种情况下，程序还可以正常运行，但是重复包含头文件将会带来以下危害：
- 一是使预处理的速度变慢，要处理很多本来不需要处理的头文件。
- 二是头文件包含陷入死循环，如果有 foo.h 包含 bar.h ， bar.h 又包含 foo.h 的情况，预处理器就陷入死循环了（其实编译器都会规定一个包含层数的上限）。
- 三是头文件里有些代码不允许重复出现，虽然变量和函数允许多次声明（只要不是多次定义
就行），但头文件里有些代码是不允许多次出现的，比如 typedef 类型定义和结构体Tag定义
等，在一个程序文件中只允许出现一次。
四，为什么要包含头文件而不是 .c 文件
先看示例程序和编译结果，本次实验有三个源文件，stack.c中定义了栈相关功能函数，foo.c和main.c中直接使用include包含了stack.c文件，来调用其中的函数：
//stack.c
char stack[512];
int top = -1;
void push(char c)
{
stack[++top] = c;
}
char pop(void)
{
return stack[top--];
}
int is_empty(void)
{
return top == -1;
}
//foo.c
#include"stack/stack.c"
void foo()
{
is_empty();
}
//main.c
#include"stack/stack.c"
#include<stdio.h>
void foo();
int main(void)
{
foo();
push('a');
push('b');
push('c');
while(!is_empty())
putchar(pop());
putchar('\n');
return 0;
}
编译结果：
luo@luo-X550JX:~/STUDY/Linux_C/ASM$ gcc main.c foo.c -o main /usr/bin/ld: /tmp/cc61cDKn.o:(.data+0x0): multiple definition of `top'; /tmp/ccsld8Vm.o:(.data+0x0): first defined here /usr/bin/ld: /tmp/cc61cDKn.o: in function `push': foo.c:(.text+0x0): multiple definition of `push'; /tmp/ccsld8Vm.o:main.c:(.text+0x0): first defined here /usr/bin/ld: /tmp/cc61cDKn.o: in function `pop': foo.c:(.text+0x35): multiple definition of `pop'; /tmp/ccsld8Vm.o:main.c:(.text+0x35): first defined here /usr/bin/ld: /tmp/cc61cDKn.o: in function `is_empty': foo.c:(.text+0x5b): multiple definition of `is_empty'; /tmp/ccsld8Vm.o:main.c:(.text+0x5b): first defined here collect2: error: ld returned 1 exit status
出现了重复定义的错误。原因在于直接include源文件stack.c，相当于把stack.c中关于变量和函数的相关定义也包含了进来，就相当于 push 、 pop 、 is_empty 这三个函数在 main.c 和 foo.c 中都有定义，那么 main.c 和 foo.c 就不能链接在一起了。如果采用包含头文件的办法，则是多次声明，一次定义，这三个函数在main.c和foo.c中声明了各声明了一次，只在 stack.c 中定义了一次，最后可以把 main.c 、 stack.c 、 foo.c 链接在一起。如下图所示：
参考文章：
http://akaedu.github.io/book/
