C语言头文件的作用

C 语言头文件的作用 最近在工作当中遇到了一点小问题,关于 C 语言头文件的应用问题,主要还是关于全局变量的定 义和声明问题. 学习 C 语言已经有好几年了,工作使用也近半年了,但是对于这部分的东西的确还没有深入的思 考过.概念上还是比较模糊的,只是之前的使用大多比较简单,并没有牵涉到太复杂的,所以定 义和声明还是比较简单而明了了的.但是最近的大工程让我在这方面吃到了一点点苦头,虽然看 了别人的代码能够很快的改正,但是这些改正背后的原因却不知道.我想大多数喜欢 C 语言的程 序员应该是和我一样的,总喜欢去追究程序问题背后的底层原因,而这也恰恰是我喜欢 C 语言的 最根本的原因. 今天看过 janders 老兄在 csdn 上的一篇文章后,理解的确加深了很多,而且还学到一些以前不怎 么知道的知识. 现将文章转载过来,并对文章当中的一些拼写错误做了简单的纠正,同时对文字及布局做了少许 修改. (如果想看原文的,请参考本文底部的链接.) C 语言中的.h 文件和我认识由来已久，其使用方法虽不十分复杂，但我却 是经过了几个月的“不懂”时期，几年的“一知半解”时期才逐渐认识清楚他的本来 面目。揪其原因，我的驽钝和好学而不求甚解固然是原因之一，但另外还有其他 原因。原因一：对于较小的项目，其作用不易被充分开发，换句话说就是即使不 知道他的详细使用方法，项目照样进行，程序在计算机上照样跑。原因二：现在 的各种 C 语言籍都是只对 C 语言的语法进行详细的不能再详细的说明，但对 于整个程序的文件组织构架却只字不提，找了好几本比较著名的 C 语言著作， 却没有一个把.h 文件的用法写的比较透彻的。下面我就斗胆提笔，来按照我对.h 的认识思路，向大家介绍一下。 让我们的思绪乘着时间机器回到大学。C 原来老师正在讲台上讲着我 们的第一个 C 语言程序: Hello world! 文件名 First.c main() { printf(“Hello world!”); } 例程-1 看看上面的程序，没有.h 文件。是的，就是没有，世界上的万物都是经历 从没有到有的过程的，我们对.h 的认识，我想也需要从这个步骤开始。这时确 实不需要.h 文件，因为这个程序太简单了，根本就不需要。那么如何才能需要 呢？让我们把这个程序变得稍微复杂些，请看下面这个， 文件名 First.c printStr() { printf(“Hello world!”); } main() { printStr(); } 例程-2 还是没有, 那就让我们把这个程序再稍微改动一下. 文件名 First.c main() { printStr(); } printStr() { printf(“Hello world!”); } 例程-3 等等，不就是改变了个顺序嘛, 但结果确是十分不同的. 让我们编译一下例程-2 和例程-3,你会发现例程-3 是编译不过的.这时需要我们来认识一下另一个 C 语 言中的概念:作用域. 我们在这里只讲述与.h 文件相关的顶层作用域, 顶层作用域就是从声明点 延伸到源程序文本结束, 就 printStr()这个数来说，他没有单独的声明,只有 定义,那么就从他定义的行开始,到 first.c 文件结束, 也就是说,在在例程-2 的 main()函数的引用点上,已经是他的作用域. 例程-3 的 main()函数的引用点 上，还不是他的作用域,所以会编译出错. 这种情况怎么办呢? 有两种方法 ,一 个就是让我们回到例程-2, 顺序对我们来说没什么, 谁先谁后不一样呢，只要能 编译通过,程序能运行, 就让main()文件总是放到最后吧. 那就让我们来看另一 个例程,让我们看看这个方法是不是在任何时候都会起作用. 文件名 First.c play2() { ………………. play1(); ……………….. } play1(){ …………….. play2(); …………………… } main() { play1(); } 例程-4 也许大部分都会看出来了，这就是经常用到的一种算法, 函数嵌套, 那么让 我们看看, play1 和 play2 这两个函数哪个放到前面呢? 这时就需要我们来使用第二种方法,使用声明. 文件名 First.c play1(); play2(); play2() { ………………. play1(); ……………….. } play1() { ……………………. play2(); …………………… } main() { play1(); } 例程-4 经历了我的半天的唠叨, 加上四个例程的说明,我们终于开始了用量变引起 的质变, 这篇文章的主题.h 文件快要出现了。 一个大型的软件项目,可能有几千个,上万个 play, 而不只是 play1,play2 这么简单, 这样就可能有 N 个类似 play1(); play2(); 这样的声明, 这个时候 就需要我们想办法把这样的 play1(); play2(); 也另行管理, 而不是把他放 在.c 文件中, 于是.h 文件出现了. 文件名 First.h play1(); play2(); 文件名 First.C #include “first.h” play2() { ………………. play1(); ……………….. } play1(); { …………………….. play2(); …………………… } main() { play1(); } 例程-4 各位有可能会说,这位 janders 大虾也太罗嗦了，上面这些我也知道, 你还 讲了这么半天, 请原谅, 如果说上面的内容 80%的人都知道的话,那么我保证, 下面的内容,80%的人都不完全知道. 而且这也是我讲述一件事的一贯作风,我 总是想把一个东西说明白,让那些刚刚接触 C 的人也一样明白. 上面是.h 文件的最基本的功能, 那么.h 文件还有什么别的功能呢? 让我来 描述一下我手头的一个项目吧. 这个项目已经做了有 10 年以上了，具体多少年我们部门的人谁都说不太准 确,况且时间并不是最主要的，不再详查了。是一个通讯设备的前台软件, 源文 件大小共 51.6M, 大小共 1601 个文件, 编译后大约 10M, 其庞大可想而 知, 在这里充斥着错综复杂的调用关系,如在 second.c 中还有一个函数需要调 用 first.c 文件中的 play1 函数, 如何实现呢? Second.h 文件 play1(); second.c 文件 ***() { ……………. Play(); ………………. } 例程-5 在 second.h 文件内声明 play1 函数，怎么能调用到 first.c 文件中的哪个 play1 函数中呢? 是不是搞错了，没有搞错, 这里涉及到 c 语言的另一个特性: 存储类说明符. C 语言的存储类说明符有以下几个, 我来列说明一下 说明符 用 法 Auto 只在块内变量声明中被允许, 表示变量具有本地生存期. Extern 出现在顶层或块的外部变量函数与变量声明中，表示声明的对象具有 静态生存期, 连接程序知道其名字. Static 可以放在函数与变量声明中,在函数定义时,只用于指定函数名,而不 将函数导出到链接程序,在函数声明中,表示其后边会有定义声明的函 数,存储类型static.在数据声明中,总是表示定义的声明不导出到连接 程序. 无疑, 在例程-5 中的 second.h 和 first.h 中,需要我们用 extern 标志符来 修饰 play1 函数的声明,这样,play1()函数就可以被导出到连接程序, 也就是实 现了无论在 first.c文件中调用,还是在 second.c文件中调用,连接程序都会很聪 明的按照我们的意愿,把他连接到 first.c文件中的 play1函数的定义上去, 而不 必我们在 second.c 文件中也要再写一个一样的 play1 函数. 但随之有一个小问题, 在例程-5 中,我们并没有用 extern 标志符来修饰 play1 啊, 这里涉及到另一个问题, C 语言中有默认的存储类标志符. C99 中规 定, 所有顶层的默认存储类标志符都是 extern . 原来如此啊, 哈哈. 回想一下 例程-4, 也是好险, 我们在无知的情况下, 竟然也误打误撞,用到了extern修饰 符, 否则在 first.h 中声明的 play1 函数如果不被连接程序导出,那么我们在在 play2()中调用他时, 是找不到其实际定义位置的 . 那么我们如何来区分哪个头文件中的声明在其对应的.c 文件中有定义,而哪 个又没有呢?这也许不是必须的，因为无论在哪个文件中定义，聪明的连接程序 都会义无返顾的帮我们找到，并导出到连接程序, 但我觉得他确实必要的. 因为 我们需要知道这个函数的具体内容是什么,有什么功能, 有了新需求后我也许要 修改他，我需要在短时间内能找到这个函数的定义, 那么我来介绍一下在 C 语言 中一个人为的规范: 在.h 文件中声明的函数,如果在其对应的.c 文件中有定义,那么我们 在声明这个函数时,不使用 extern 修饰符, 如果反之,则必须显示使用 extern 修饰符. 这样,在C语言的.h文件中,我们会看到两种类型的函数声明. 带 extern的, 还不带 extern 的, 简单明了,一个是引用外部函数，一个是自己生命并定义的函 数. 最终如下: Second.h 文件 Extern play1(); 上面洋洋洒洒写了那么多都是针对函数的，而实际上.h 文件却不是为函数所 御用的. 打开我们项目的一个.h 文件我们发现除了函数外,还有其他的东西, 那 就是全局变量. 在大型项目中，对全局变量的使用不可避免, 比如,在 first.c 中需要使用一 个全局变量 G_test, 那么我们可以在 first.h 中,定义 TPYE G_test. 与对函数 的使用类似, 在 second.c 中我们的开发人员发现他也需要使用这个全局变量, 而且要与 first.c 中一样的那个, 如何处理? 对,我们可以仿照函数中的处理方 法, 在 second.h 中再次声明 TPYE G_test, 根据 extern 的用法,以及 c 语言 中默认的存储类型, 在两个头文件中声明的 TPYE G_test,其实其存储类型都是 extern, 也就是说不必我们操心, 连接程序会帮助我们处理一切. 但我们又如 何区分全局变量哪个是定义声明,哪个是引用声明呢?这个比函数要复杂一些, 一般在 C 语言中有如下几种模型来区分: 1、初始化语句模型 顶层声明中，存在初始化语句是，表示这个声明是定义声明，其他声明是引用声 明。C 语言的所有文件之中，只能有一个定义声明。 按照这个模型，我们可以在 first.h 中定义如下 TPYE G_test=1；那么就确定 在 first 中的是定义声明，在其他的所有声明都是引用声明。 2、省略存储类型说明 在这个模型中，所有引用声明要显示的包括存储类 extern，而每个外部变量的 唯一定义声明中省略存储类说明符。 这个与我们对函数的处理方法类似，不再举例说明。 这里还有一个需要说明，本来与本文并不十分相关，但前一段有个朋友遇到 此问题，相信很多人都会遇到，那就是数组全局变量。 他遇到的问题如下： 在声明定义时，定义数组如下： int G_glob[100]; 在另一个文件中引用声明如下： int * G_glob; 在 vc 中，是可以编译通过的，这种情况大家都比较模糊并且需要注意，数 组与指针类似，但并不等于说对数组的声明起变量就是指针。上面所说的的程序 在运行时发现了问题，在引用声明的那个文件中，使用这个指针时总是提示内存 访问错误，原来我们的连接程序并不把指针与数组等同，连接时，也不把他们当 做同一个定义，而是认为是不相关的两个定义，当然会出现错误。正确的使用方 法是在引用声明中声明如下： int G_glob[100]; 并且最好再加上一个 extern，更加明了。 extern int G_glob[100]; 另外需要说明的是，在引用声明中由于不需要涉及到内存分配，可以简化如 下，这样在需要对全局变量的长度进行修改时，不用把所有的引用声明也全部修 改了。 extern int G_glob[]; C 语言是现今为止在底层核心编程中，使用最广泛的语言，以前是，以后也 不会有太大改变，虽然现在 java,.net 等语言和工具对 c 有了一定冲击，但我们 看到在计算机最为核心的地方，其他语言是无论如何也代替不了的，而这个领域 也正是我们对计算机痴迷的程序员所向往的。 好了,看完文章,对与 C 语言头文件的作用应该有了跟多的理解吧,如果这些你原本都知道了,那么仅当是温 习一下而已,如果原本不知道,那么恭喜你,现在又学到一些技巧和知识. 对于全局变量的定义和声明,其实还有另外一个解决的方法,聪明的你可能早已经猜到了:),没错,就是用宏 定义的技巧实现.比如 a.h 文件当中有: #ifdef AAA int i=0; #else int i; #endif 那么,在 a.c 文件当中,有如下语句: ...... #define AAA #include "a.h" ...... 而对于其他的任何包含 a.h 文件的头文件或者.c 源文件,只需要直接包含 a.h 就行了 ...... #include "a.h" ...... 这样就可以达到在 a.c 文件当中定义变量一次,而在其他的文件当中声明该变量的目的. 当然了,你完全可以根据自己的需要来决定在哪个需要包含 a.h 的文件当中定义宏 AAA,但是我要说的是 在同一个工程的不同的需要包含 a.h的文件当中,你只能定义AAA一次,否则在连接这些目标文件时会出现 重复定义的错误,即使你的单独目标文件编译没有任何的问题. 当然,这里说的仅仅是对全局变量的声明技巧,强烈的推介大家在头文件中使用宏定义实现对整个头文件的 防止重复包含,当然了,这个技巧大多数的 c 语言程序员都懂. #ifndef XXX #define XXX #endif 这样做会让你的程序更加稳健,很大程度上减少了不必要的麻烦... 最后给出一点点全局变量使用需要注意的问题,这也仅仅是个建议,或者说一种编程习惯 ;) 1) 所有全局变量全部以 g_开头,并且尽可能声明成 static 类型. 2) 尽量杜绝跨文件访问全局变量.如果的确需要在多个文件内访问同一变量,应该由该变量定义所在文件 内提供 GET/PUT 函数实现. 3) 全局变量必须要有一个初始值,全局变量尽量放在一个专门的函数内初始化. 4) 如调用的函数少于三个,请考虑改为局部变量实现. 如果文中有什么不对的地方,欢迎指正,相互学习:)