[开发工具]c++头文件作用及前向声明作用

c++中.cpp的文件为源文件，.h的文件为头文件。
c++支持分离式编译，即一个程序可以划分为几个部分，每个分别放在一个.cpp文件内，.cpp文件里的东西都是相对独立的，在编译(compile)时不需要与其他文件互通，只需要在编译成目标文件后再与其他的目标文件做一次链接(link)就行了。比如，在文件a.cpp中定义了一个全局函数“void a() {}”，而在文件b.cpp中需要调用这个函数。即使这样，文件a.cpp和文件b.cpp并不需要相互知道对方的存在，而是可以分别地对它们进行编译，编译成目标文件之后再链接，整个程序就可以运行了。
这是怎么实现的呢？
在文件b.cpp中，在调用“void a()”函数之前，先声明一下这个函数“void a();”，就可以了。这是因为编译器在编译b.cpp的时候会生成一个符号表(symbol table)，像“void a()”这样的看不到定义的符号，就会被存放在这个表中。再进行链接的时候，编译器就会在别的目标文件中去寻找这个符号的定义。一旦找到了，程序也就可以顺利地生成了。
注意这里提到了两个概念，一个是“定义”，一个是“声明”。简单地说，“定义”就是把一个符号完完整整地描述出来：它是变量还是函数，返回什么类型，需要什么参数等等。而“声明”则只是声明这个符号的存在，即告诉编译器，这个符号是在其他文件中定义的，我这里先用着，你链接的时候再到别的地方去找找看它到底是什么吧。定义的时候要按C++语法完整地定义一个符号（变量或者函数），而声明的时候就只需要写出这个符号的原型了。需要注意的是，一个符号，在整个程序中可以被声明多次，但却要且仅要被定义一次。试想，如果一个符号出现了两种不同的定义，编译器该听谁的？
这种机制给C++程序员们带来了很多好处，同时也引出了一种编写程序的方法。考虑一下，如果有一个很常用的函数“void f() {}”，在整个程序中的许多.cpp文件中都会被调用，那么，我们就只需要在一个文件中定义这个函数，而在其他的文件中声明这个函数就可以了。一个函数还好对付，声明起来也就一句话。但是，如果函数多了，比如是一大堆的数学函数，有好几百个，那怎么办？能保证每个程序员都可以完完全全地把所有函数的形式都 准确地记下来并写出来吗？

什么是头文件
很显然，答案是不可能。但是有一个很简单地办法，可以帮助程序员们省去记住那么多函数原型的麻烦：我们可以把那几百个函数的声明语句全都先写好，放在一个文件里，等到程序员需要它们的时候，就把这些东西全部copy进他的源代码中。

这个方法固然可行，但还是太麻烦，而且还显得很笨拙。于是，头文件便可以发挥它的作用了。所谓的头文件，其实它的内容跟.cpp文件中的内容是一样的，都是C++的源代码。但头文件不用被编译。我们把所有的函数声明全部放进一个头文件中，当某一个.cpp源文件需要它们时，它们就可以通过一个宏命令 “#include”包含进这个.cpp文件中，从而把它们的内容合并到.cpp文件中去。当.cpp文件被编译时，这些被包含进去的.h文件的作用便发挥了。

通 过上面的讨论，我们可以了解到，头文件的作用就是被其他的.cpp包含进去的。它们本身并不参与编译，但实际上，它们的内容却在多个.cpp文件中得到了 编译。通过“定义只能有一次”的规则，我们很容易可以得出，头文件中应该只放变量和函数的声明，而不能放它们的定义。因为一个头文件的内容实际上是会被引入到多个不同的.cpp文件中的，并且它们都会被编译。放声明当然没事，如果放了定义，那么也就相当于在多个文件中出现了对于一个符号（变量或函数）的定 义，纵然这些定义都是相同的，但对于编译器来说，这样做不合法。

所以，应该记住的一点就是，.h头文件中，只能存在变量或者函数的声明， 而不要放定义。即，只能在头文件中写形如：extern int a;和void f();的句子。这些才是声明。如果写上int a;或者void f() {}这样的句子，那么一旦这个头文件被两个或两个以上的.cpp文件包含的话，编译器会立马报错。（关于extern，前面有讨论过，这里不再讨论定义跟 声明的区别了。）

但是，这个规则是有三个例外的。

一，头文件中可以写const对象的定义。因为全局的const对象默 认是没有extern的声明的，所以它只在当前文件中有效。把这样的对象写进头文件中，即使它被包含到其他多个.cpp文件中，这个对象也都只在包含它的 那个文件中有效，对其他文件来说是不可见的，所以便不会导致多重定义。同时，因为这些.cpp文件中的该对象都是从一个头文件中包含进去的，这样也就保证 了这些.cpp文件中的这个const对象的值是相同的，可谓一举两得。同理，static对象的定义也可以放进头文件。

二，头文件中可 以写内联函数（inline）的定义。因为inline函数是需要编译器在遇到它的地方根据它的定义把它内联展开的，而并非是普通函数那样可以先声明再链 接的（内联函数不会链接），所以编译器就需要在编译时看到内联函数的完整定义才行。如果内联函数像普通函数一样只能定义一次的话，这事儿就难办了。因为在 一个文件中还好，我可以把内联函数的定义写在最开始，这样可以保证后面使用的时候都可以见到定义；但是，如果我在其他的文件中还使用到了这个函数那怎么办 呢？这几乎没什么太好的解决办法，因此C++规定，内联函数可以在程序中定义多次，只要内联函数在一个.cpp文件中只出现一次，并且在所有的.cpp文 件中，这个内联函数的定义是一样的，就能通过编译。那么显然，把内联函数的定义放进一个头文件中是非常明智的做法。

三，头文件中可以写类（class）的定义。因为在程序中创建一个类的对象时，编译器只有在这个类的定义完全可见的情况下，才能知道这个类的对象应该如何布局，所以，关于类的 定义的要求，跟内联函数是基本一样的。所以把类的定义放进头文件，在使用到这个类的.cpp文件中去包含这个头文件，是一个很好的做法。在这里，值得一提 的是，类的定义中包含着数据成员和函数成员。数据成员是要等到具体的对象被创建时才会被定义（分配空间），但函数成员却是需要在一开始就被定义的，这也就 是我们通常所说的类的实现。一般，我们的做法是，把类的定义放在头文件中，而把函数成员的实现代码放在一个.cpp文件中。这是可以的，也是很好的办法。 不过，还有另一种办法。那就是直接把函数成员的实现代码也写进类定义里面。在C++的类中，如果函数成员在类的定义体中被定义，那么编译器会视这个函数为 内联的。因此，把函数成员的定义写进类定义体，一起放进头文件中，是合法的。注意一下，如果把函数成员的定义写在类定义的头文件中，而没有写进类定义中， 这是不合法的，因为这个函数成员此时就不是内联的了。一旦头文件被两个或两个以上的.cpp文件包含，这个函数成员就被重定义了。

使用”#define”配合条件编译可以很好地解决这个问题。在一 个头文件中，通过#define定义一个名字，并且通过条件编译#ifndef…#endif使得编译器可以根据这个名字是否被定义，再决定要不要继 续编译该头文中后续的内容。这个方法虽然简单，但是写头文件时一定记得写进去。

c++前向声明的作用：
编译器想要确定没有拼写错误，并且传递给函数的参数也是对的，因此编译器要求在调用任何函数之前，必须首先看到该函数的声明。简而言之，任何变量或函数等，都是要求先声明再使用。
前向声明能显著缩短编译链接时间
通过使用 #include一些含有函数声明的头文件， 你可以将函数声明加到你的当前 .cpp文件或 .h文件中，然而，这会拖慢编译时间。尤其是如果在.h文件中#include 头文件时，这是因为，任何#include你写的.h文件的文件，结局是都将#include你所#include的头文件，编译器一下子需要编译无穷无尽的文件，即使需要调用的实际上只有一两个函数。
为了避免这种情况，你可以使用前向声明，也就是在文件顶部给出函数声明。对于大型项目，使用前向声明有可能使数小时的编译时间压缩为只需要几分钟。

当两个定义互相使用对方时，打破循环。

除此之外，实现前向声明可以打破循环。这种情况是，两个函数试图互相调用对方。如果出现这种情况，可以#include一个头文件，但是那个头文件又试图#include你目前正在写的文件，两个文件互相#include， 可以使用前向声明解决这个问题。即一个文件使用前向声明，另一个文件使用 #include。

举例:

文件Car.h:

// File Car.h
#include “Wheel.h” // Include Wheel’s definition so it can be used in Car.
#include
class Car
{
std::vector wheels;
};

但是对于头文件 Wheel.h， 必须提供Car 的声明，原因是因为类Wheel含有一个指向Car的指针，但是不能在文件 Wheel.h 中包含Car.h，如果包含，将产生编译错误。如果Wheel.h 包含 Car.h, Car.h 又会包含 Wheel.h, Wheel.h 又会包含Car.h, 如此将陷入不断的循环中，所以编译器没有这样做，而是引发了一个错误。
解决这个问题的方法是声明Car，不能使用包含：

// File Wheel.h
class Car; // forward declaration
class Wheel
{
Car* car;
};

如果类 Wheel 含有方法，这些方法需要调用Car的方法，那么Wheel的方法可以定义在文件Wheel.cpp 中，Wheel.cpp 可以包含Car.h, 但不会导致循环。

**前向声明：可以声明一个类而不定义它。这个声明被称为前向声明(forward declaration)。
例如：class name。在声明之后，定义之前，类name是一个不完全类型(incompete type)，
即已知name是一个类型，但不知道包含哪些成员。不完全类型只能以有限方式使用，
不能定义该类型的对象，不完全类型只能用于定义指向该类型的指针及引用，
或者用于声明(而不是定义)使用该类型作为形参类型或返回类型的函数。类的前向声明之适用于指针和引用的定义，如果是普通类类型就得使用include了。** 

参考。头文件作用
向前引用
向前声明注意事项