在C/C++项目中，头文件（.h 或 .hpp）和源文件（.c 或 .cpp 或.cc）扮演着至关重要的角色。

基本概念

头文件（.h 或 .hpp）：

• 作用：头文件通常用于声明函数、变量、类型定义（如结构体、类）、宏定义和常量等。有了这些声明，其他文件能够引用这些符号，而无需了解它们的具体实现细节。
• 特点：头文件不应包含任何实际的代码实现（即函数体），除非这些代码是内联函数或模板定义或static函数（好多除非...）。

源文件（.c 或 .cpp 或 .cc）：

• 作用：源文件包含函数的实际实现、全局变量的定义以及程序的入口点（比如 main 函数）。
• 特点：源文件是编译器生成目标文件的基本单位。

#include指令：

• 作用：#include 用于将指定的头文件内容插入到包含该指令的源文件中。有了#include，源文件可访问头文件中声明的符号。
• 预处理器处理：在编译之前，预处理器会查找并替换所有的 #include 指令，将头文件的内容插入到相应的位置，像复制粘贴一样。

示例代码

头文件（math_utils.h）：

#ifndef MATH_UTILS_H
#define MATH_UTILS_H

// 函数声明
int add(int a, int b);
int subtract(int a, int b);

#endif // MATH_UTILS_H

源文件（math_utils.cpp）：

#include "math_utils.h"

// 函数实现
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int subtract(int a, int b) {
    return a - b;
}

主程序文件（main.cpp）：

#include <iostream>
#include "math_utils.h"

int main() {
    int x = 5, y = 3;
    std::cout << "Sum: " << add(x, y) << std::endl;
    std::cout << "Difference: " << subtract(x, y) << std::endl;
    return 0;
}

模块化编程

通过头文件和源文件的分离，可以实现模块化编程，提高代码的可读性。

• 头文件定义了模块的接口，提供了模块对外暴露的功能和数据结构。其他模块通过包含头文件来访问这些接口，而无需关心模块的具体实现细节。
• 源文件实现了头文件中声明的接口，提供了模块的具体功能实现。源文件是模块的内部实现部分，通常不对外公开。

头文件重复包含问题：

• 问题：如果头文件被多次包含，可能会导致重复声明错误。
• 解决方案：使用头文件保护符（header guards），即 #ifndef、#define 和 #endif 指令，确保头文件的内容只被包含一次。或者使用#pragma once。

编译链接过程

编译：

• 编译器将每个源文件转换为目标文件（.o 或 .obj），目标文件包含程序的机器代码，但还尚未链接到其他目标文件或库。
• 头文件在编译过程中会被预处理器包含到源文件中，但不会被直接编译成目标文件。（源文件才是编译的基本单位）

链接：

• 链接器将多个目标文件和库链接成一个可执行文件或库。
• 链接器解析所有外部符号引用，确保每个引用都有对应的定义。

头文件在编译链接过程中的作用：

• 提供声明，使链接器能够找到正确的符号定义。
• 允许多个源文件共享相同的声明，而无需重复代码。

命名规范

下面是一些常见的命名约定：

• 头文件：使用 .h 或 .hpp 后缀，通常命名与源文件相对应，但去掉 .cpp 部分。例如，math_utils.cpp 的头文件是 math_utils.h。
• 源文件：使用 .c 或 .cpp 或.cc后缀，命名应反映其包含的内容或功能，我个人更多的会用.cc后缀。
• 命名风格：驼峰命名法或下划线分隔法，哪种风格都可，但整个项目用一致，我个人更多的用下划线分割法。

示例命名规范：

• 头文件：math_utils.h, data_structures.hpp
• 源文件：math_utils.cpp, data_structures.cc

C常用标准库头文件总结

见下表：

头文件	作用
stdio.h	提供输入输出函数，如 printf、scanf、fopen、fclose 等，用于文件操作和格式化输入输出。
stdlib.h	提供常用的函数，如内存分配（malloc、free）、随机数生成（rand）、字符串转换（atoi、itoa）、程序控制（exit、abort）等。
string.h	提供字符串处理函数，如 strlen、strcpy、strcmp、strcat、strstr 等，用于字符串的复制、比较、查找等操作。
math.h	提供数学函数，如 sin、cos、tan、sqrt、exp、log 等，用于各种数学运算。
ctype.h	提供字符处理函数，如 isalnum、isalpha、isdigit、tolower、toupper 等，用于字符类型的判断和大小写转换。
time.h	提供日期和时间处理函数，如 time、localtime、gmtime、difftime、strftime 等，用于获取和格式化时间。
stdarg.h	提供处理可变参数列表的函数，如 va_start、va_arg、va_end，用于实现可变参数函数。
signal.h	提供信号处理函数，如 signal、raise，用于设置和处理信号。
assert.h	提供断言宏 assert，用于在调试时检查条件表达式，帮助发现程序中的错误。
setjmp.h	提供非局部跳转函数 setjmp 和 longjmp，用于在程序的不同部分之间跳转。
errno.h	定义错误代码变量 errno，用于表示程序运行过程中发生的错误。
stddef.h	提供标准库的一些常用定义，如 size_t、ptrdiff_t、wchar_t、NULL、offsetof 等。
locale.h	提供本地化函数，如 setlocale、localeconv，用于处理与地域相关的设置。
float.h	提供与浮点类型相关的一些常量和宏定义，如 FLT_MAX、DBL_MAX、LDBL_MAX，用于描述浮点类型的特性和限制。
limits.h	提供与整数类型相关的常量和宏，如 INT_MAX、INT_MIN、CHAR_BIT，用于获取整数类型的限制信息。
stdbool.h	提供布尔类型和布尔常量 true、false，用于在C语言中更方便地使用布尔类型的变量和常量。
stdint.h	提供固定宽度的整数类型，如 int8_t、int16_t、int32_t、uint64_t 等，用于跨平台编程中确保整数类型的大小和行为的一致性。
tgmath.h	提供一种泛型的数学函数宏定义，根据参数的类型自动选择合适的函数版本进行调用。
wchar.h	提供宽字符处理函数，如 wcslen、wcscpy、wcstombs 等，用于宽字符字符串的处理。
wctype.h	提供用于分类宽字符的函数，如 iswalpha、iswdigit、towlower、towupper 等，用于宽字符的类型判断和大小写转换。

练习

1. 创建一个名为math_utils.h的头文件，声明一个计算两个整数和的函数int add(int a, int b);，一个计算两个整数差的函数int subtract(int a, int b);，以及一个宏定义PI（值为3.14159）。
2. 创建两个源文件math_utils.c和main.c。在math_utils.c中实现add和subtract函数，在main.c中编写主函数，调用这两个函数并打印结果，同时打印PI的值。

进阶

1. 使用#pragma once避免头文件重复包含更好，还是使用#ifndef更好？
2. #include 源文件会发生什么？
3. 在头文件中定义函数会发生什么？