头文件的作用分析

问题引入

假设有一个C/C++语言项目，项目中包含了很多模块，每个模块中又包含了很多功能函数。对于这个项目，稍稍学习过编程知识的开发者都会将模块做成动态或者静态库。在动态或者静态库中，往往包含了很多头文件和源文件。现在思考一个问题，为什么需要头文件？似乎从开始学习编程开始老师就教导我们要写头文件和源文件，但是有没有认真思考过它们的作用？本篇来通过一个简单例子来简要分析一下头文件的作用。

背景介绍

为了简化问题，我们假设需要开发一个可执行项目，在这个项目中需要一个模块，这个模块中仅仅包含两个函数，它们的作用就是打印出传入的参数值。代码如下：

#include <stdio.h>

void test(int val)
{
    printf("test : %d\n", val);
}

void fun(int val)
{
    printf("fun : %d\n", val);
}

再增加main函数，代码如下：

int main(int argc, char* argv[])
{
    test(123);
    fun(456);
    return 0;
}

不划分模块

最简单的情况就是将这个模块和main函数写在一个文件中，但是我们都知道这样做不但模块无法重用，同时也会给后面扩充功能带来繁重的工作。划分模块，可以将功能封装，隐藏实现细节，还可以更好的实现模块复用，并且独立模块间的低耦合也为了扩展升级提供了便利。

将这个源文件编译：

gcc -o nomodule main.c

使用头文件

加入头文件test.h，代码如下：

#ifndef TEST_H_
#define TEST_H_

void test(int val);
void fun(int val);

#endif //TEST_H_

修改main.c，代码如下：

#include "test.h"

int main(int argc, char* argv[])
{
    test(123);
    fun(456);
    return 0;
}

重新编译

gcc -o header main.c test.c

执行程序，可以看到效果。再来看下头文件的作用，使用gcc -E来查看预处理的结果

gcc -E test.c -o test.i

查看test.i，关键的代码如下：

# 1 "./test.h" 1

void test(int val);
void fun(int val);

可以看到#include "test.h"被展开了，它的内容就是我们在头文件中写的两个函数声明。其实，这就是头文件的作用体现了，也就是说在test.c文件中将头文件中的内容加入了进来。可以再使用上述命令查看main.c文件，结果也是一样的。我们将i文件编译成o文件:

gcc -c test.i -o test.o
gcc -c main.i -o main.o

然后将o文件编译成可执行程序：

gcc -o header main.o test.o

执行与上一节结果是一样的。你会不会有疑问？难道可以不用头文件？别急，我们继续。

没有头文件

是的，这次没有头文件。

test.c中定义两个函数，内容省略。

在main.c中，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void test(int);
void fun(int);

int main(int argc, char* argv[])
{
    test(123);
    fun(456);
    return 0;
}

将test.c编译为目标文件o文件

gcc -c test.c

再将main.c编译为目标文件

gcc -c main.c

将两个目标文件链接为可执行程序

gcc -o noheader main.o test.o

执行与前两节是一样的。至此，可以完全看明白头文件的作用了，它在预处理期间就被展开了，然后嵌入到源文件当中。

总结

通过以上三种情况的分析可以看到头文件在编译链接过程中的作用，从编译链接的角度来说，不写头文件也是行得通的，只要你不怕写N多函数或者类的声明就行。其实，函数声明只是在生成目标文件（*.o）时产生一个符号，具体符号的使用是在链接期间绑定的，而不同的编译方式（静态编译或动态编译）绑定的时机也不相同，以后再详细介绍。