2.10 – Заголовочные файлы

Заголовки и их назначение

По мере того, как программы становятся больше (и используют больше файлов), становится всё более утомительным давать предварительные объявления каждой функции, которую вы хотите использовать, и которая определена в другом файле. Было бы неплохо, если бы вы могли поместить все свои предварительные объявления в одно место, а затем импортировать их, когда они вам понадобятся?

Исходные файлы кода C++ (с расширением .cpp) – это не единственные файлы, которые обычно встречаются в программах на C++. Другой тип файлов – это заголовочный файл (иногда просто заголовок). Заголовочные файлы обычно имеют расширение .h, но иногда вы можете встретить их с расширением .hpp или вообще без расширения. Основная цель заголовочного файла – распространять объявления в исходные файлы кода.

Использование заголовочных файлов стандартной библиотеки

Рассмотрим следующую программу:

#include <iostream>
 
int main()
{
    std::cout << "Hello, world!";
    return 0;
}

Эта программа печатает «Hello, world!» в консоль с помощью std::cout. Однако эта программа никогда не предоставляла определение или объявление для std::cout, поэтому как компилятор узнает, что такое std::cout?

Ответ заключается в том, что std::cout был предварительно объявлен в заголовочном файле «iostream». Когда мы пишем #include <iostream>, мы запрашиваем, чтобы препроцессор скопировал всё содержимое (включая предварительные объявления для std::cout) из файла с именем «iostream» в файл, выполняющий #include.

Подумайте, что бы произошло, если бы заголовок iostream не существовал. Каждый раз, когда вы хотели бы использовать std::cout, вам приходилось бы вручную вводить или копировать все объявления, связанные с std::cout, в начало каждого файла, который использовал бы std::cout! Для этого потребуется много знаний о том, как реализован std::cout, и потребуется много работы. Хуже того, если бы прототип функции изменился, нам пришлось бы вручную обновлять все предварительные объявления. Намного проще просто включить iostream с помощью #include!

Когда дело доходит до функций и переменных, стоит помнить, что заголовочные файлы обычно содержат только объявления функций и переменных, а не их определения (в противном случае может произойти нарушение правила одного определения). std::cout объявлен в заголовке iostream, но определен как часть стандартной библиотеки C++, которая автоматически подключается к вашей программе на этапе линкера.

Написание собственных заголовочных файлов

А теперь вернемся к примеру, который мы обсуждали в предыдущем уроке. Когда мы закончили, у нас было два файла, add.cpp и main.cpp, которые выглядели так:

add.cpp:

int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

main.cpp:

#include <iostream>
 
int add(int x, int y); // предварительное объявление с использованием прототипа функции
 
int main()
{
    std::cout << "The sum of 3 and 4 is " << add(3, 4) << '\n';
    return 0;
}

(Если вы воссоздаете этот пример с нуля, не забудьте добавить add.cpp в свой проект, чтобы он компилировался).

В этом примере мы использовали предварительное объявление, чтобы при компиляции main.cpp компилятор знал, что такое идентификатор add. Как упоминалось ранее, добавление предварительных объявлений для каждой функции, которую вы хотите использовать, и которая находится в другом файле, вручную может быстро стать утомительным.

Давайте напишем заголовочный файл, чтобы избавиться от этого бремени. Написать заголовочный файл на удивление легко, поскольку файлы заголовков состоят только из двух частей:

1. защита заголовка, о которой мы поговорим более подробно в следующем уроке («2.11 – Защита заголовков»);
2. фактическое содержимое файла заголовка, которое должно быть предварительными объявлениями для всех идентификаторов, которые мы хотим, чтобы другие файлы могли видеть.

Добавление заголовочного файла в проект работает аналогично добавлению исходного файла (рассматривается в уроке «2.7 – Программы с несколькими файлами исходного кода»). Если вы используете IDE, выполните такие же действия и при появлении запроса выберите Файл заголовка (или C/C++ header) вместо Файла С++ (или C/C++ source). Если вы используете командную строку, просто создайте новый файл в своем любимом редакторе.

Заголовочные файлы часто идут в паре с файлами исходного кода, при этом заголовочный файл предоставляет предварительные объявления для соответствующего исходного файла. Поскольку наш заголовочный файл будет содержать предварительное объявление для функций, определенных в add.cpp, мы назовем наш новый заголовочный файл add.h.

Вот наш завершенный заголовочный файл:

add.h:

// 1) У нас здесь на самом деле должна быть защита заголовка, 
// но для простоты мы опустим ее (мы рассмотрим защиту заголовков в следующем уроке)
 
// 2) Это содержимое файла .h, где идут объявления
int add(int x, int y); // прототип функции для add.h - не забудьте точку с запятой!

Чтобы использовать этот заголовочный файл в main.cpp, мы должны включить его с помощью #include (используя кавычки, а не угловые скобки).

main.cpp:

#include <iostream>

// Вставляем содержимое add.h в этот момент.
// Обратите внимание на использование здесь двойных кавычек.
#include "add.h"
 
int main()
{
    std::cout << "The sum of 3 and 4 is " << add(3, 4) << '\n';
    return 0;
}

add.cpp:

int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

Когда препроцессор обрабатывает строку #include "add.h", он копирует содержимое add.h в текущий файл в эту точку. Поскольку наш add.h содержит предварительное объявление для функции add, это предварительное объявление будет скопировано в main.cpp. Конечным результатом является программа, которая функционально аналогична той, в которой мы вручную добавили предварительное объявление вверху main.cpp.

Следовательно, наша программа будет правильно компилироваться и компоноваться.

Включение заголовочного файла в соответствующий исходный файл

Позже вы увидите, что большинство исходных файлов включают свой соответствующий заголовочный файл, даже если он им не нужен. Зачем?

Включение заголовочного файла в исходный файл увеличивает прямую совместимость. Очень вероятно, что в будущем вы добавите больше функций или измените существующие таким образом, что им нужно будет знать о существовании друг друга.

Когда мы углубимся в изучение стандартной библиотеки, вы будете включать множество заголовочных файлов библиотек. Если вам потребовалось включение в заголовочном файле, оно, вероятно, понадобилось вам для объявления функции. Это означает, что вам также потребуется такое же включение в исходный файл. Это приведет к тому, что в исходном файле у вас будет копия включений заголовочного файла. Включив заголовочный файл в исходный файл, исходный файл получит доступ ко всему, к чему имел доступ заголовочный файл.

При разработке библиотеки включение заголовочного файла в исходный файл может даже помочь в раннем обнаружении ошибок.

Поиск и устранение проблем

Если вы получаете ошибку компилятора, указывающую, что add.h не найден, убедитесь, что файл действительно называется add.h. В зависимости от того, как вы его создали и назвали, возможно, файл может иметь имя вроде add (без расширения), add.h.txt или add.hpp. Также убедитесь, что он находится в том же каталоге, что и остальные исходные файлы.

Если вы получаете сообщение об ошибке компоновщика о том, что добавление функции не определено, убедитесь, что вы добавили в проект файл add.cpp, чтобы определение для функции add можно было слинковать в программе.

Угловые скобки и двойные кавычки

Вам, наверное, интересно, почему мы используем угловые скобки для iostream и двойные кавычки для add.h. Возможно, что заголовочные файлы с таким же именем могут существовать в нескольких каталогах. Использование угловых скобок и двойных кавычек помогает компилятору понять, где ему следует искать заголовочные файлы.

Когда мы используем угловые скобки, мы сообщаем препроцессору, что это заголовочный файл, который мы не писали сами. Компилятор будет искать заголовок только в каталогах, указанных в каталогах включаемых файлов (include directories). Каталоги включаемых файлов настраиваются как часть вашего проекта / настроек IDE / настроек компилятора и обычно по умолчанию используются для каталогов, содержащих заголовочные файлы, которые поставляются с вашим компилятором и/или ОС. Компилятор не будет искать заголовочный файл в каталоге исходного кода вашего проекта.

Когда мы используем двойные кавычки, мы сообщаем препроцессору, что это заголовочный файл, который написали мы. Компилятор сначала будет искать этот заголовочный файл в текущем каталоге. Если он не сможет найти там подходящий заголовочный файл, он будет искать его в каталогах включаемых файлов.

Почему у iostream нет расширения .h?

Другой часто задаваемый вопрос: «Почему iostream (или любой другой заголовочный файл стандартной библиотеки) не имеет расширения .h?». Ответ заключается в том, что iostream.h – это другой заголовочный файл, отличающийся от iostream! Для объяснения требуется небольшой урок истории.

Когда C++ был только создан, все файлы в стандартной библиотеке оканчивались расширением .h. Жизнь была последовательной, и это было хорошо. Исходные версии cout и cin были объявлены в iostream.h. Когда комитет ANSI стандартизировал язык, они решили переместить все функции стандартной библиотеки в пространство имен std, чтобы избежать конфликтов имен с пользовательскими идентификаторами. Однако это представляло проблему: если бы они переместили всю функциональность в пространство имен std, ни одна из старых программ (включая iostream.h) больше не работала бы!

Чтобы обойти эту проблему, был представлен новый набор заголовочных файлов, которые используют те же имена, но не имеют расширения .h. Все функции в этих новых заголовочных файлах находятся в пространстве имен std. Таким образом, старые программы, содержащие #include <iostream.h>, не нужно переписывать, а новые программы могут использовать #include <iostream>.

Кроме того, многие библиотеки, унаследованные от C, которые всё еще используются в C++, получили префикс c (например, stdlib.h стал cstdlib). Функциональные возможности этих библиотек также были перенесены в пространство имен std, чтобы избежать конфликтов имен.

Включение заголовочных файлов из других каталогов

Другой распространенный вопрос связан с тем, как включать заголовочные файлы из других каталогов.

Один (плохой) способ сделать это – добавить относительный путь к заголовочному файлу, который вы хотите включить как часть строки #include. Например:

#include "headers/myHeader.h"
#include "../moreHeaders/myOtherHeader.h"

Хотя это будет компилироваться (при условии, что файлы существуют в этих относительных каталогах), обратная сторона этого подхода состоит в том, что он требует от вас отражения структуры каталогов в вашем коде. Если вы когда-нибудь обновите структуру каталогов, ваш код больше не будет работать.

Лучший способ – сообщить вашему компилятору или IDE, что у вас есть куча заголовочных файлов в каком-то другом месте, чтобы он смотрел туда, когда не может найти их в текущем каталоге. Обычно это можно сделать, установив путь включения (include path) или каталог поиска (search directory) в настройках проекта в IDE.

g++ -o main -I/source/includes main.cpp

Хороший момент в этом подходе заключается в том, что если вы когда-нибудь измените структуру каталогов, вам нужно будет изменить только одну настройку компилятора или IDE, а не каждый файл кода.

Заголовочные файлы могут включать другие заголовочные файлы

Обычно для заголовочных файлов требуется объявление или определение, которое находится в другом заголовочном файле. Из-за этого заголовочные файлы часто включают с помощью #include другие заголовочные файлы.

Когда ваш исходный файл включает с помощью #include первый заголовочный файл, вы также получите любые другие заголовочные файлы, которые были включены в первый заголовочный файл (и любые заголовочные файлы, которые были включены в предыдущие, и т.д.). Эти дополнительные заголовочные файлы иногда называют «транзитивными включениями», поскольку они включаются неявно.

Содержимое этих транзитивных включений доступно для использования в вашем файле исходного кода. Однако не следует полагаться на содержимое заголовков, которые включены транзитивно. Реализация заголовочных файлов может со временем меняться или отличаться в разных системах. Если это произойдет, ваш код может компилироваться только на определенных системах или может компилироваться сейчас, но перестать в будущем. Этого легко избежать, явно включив все заголовочные файлы, необходимые для содержимого вашего файла исходного кода.

К сожалению, нет простого способа определить, полагается ли ваш файл кода случайно на содержимое заголовочного файла, который был включен другим заголовочным файлом.

Порядок #include заголовочных файлов

Если ваши заголовочные файлы написаны правильно и включают с #include всё, что им нужно, порядок включения не имеет значения. Однако включение заголовочных файлов в определенном порядке может помочь выявить ошибки, когда заголовочные файлы могут не включать в себя всё, что им нужно.

Таким образом, если в одном из ваших пользовательских заголовков отсутствует #include для заголовка сторонней библиотеки или стандартной библиотеки, это с большей вероятностью вызовет ошибку компиляции, чтобы вы могли ее исправить.

Рекомендации по использованию заголовочных файлов

Вот еще несколько рекомендаций по созданию и использованию заголовочных файлов.

• Всегда включайте защиту заголовков (мы рассмотрим это в следующем уроке).
• Не определяйте переменные и функции в файлах заголовков (глобальные константы являются исключением – мы рассмотрим их позже)
• Давайте файлам заголовков те же имена, что и исходным файлам, с которыми они связаны (например, grades.h идет в паре с grades.cpp).
• Каждый заголовочный файл должен иметь конкретное назначение и быть максимально независимым. Например, вы можете поместить все объявления, относящиеся к функциональности A, в A.h, а все объявления, относящиеся к функциональности B, в B.h. Таким образом, если позже вам нужен будет только A, вы можете просто включить A.h и не получать ничего, связанного с B.
• Учитывайте, какие заголовки вам нужно явно включить для функций, которые вы используете в своих файлах исходного кода.
• Каждый заголовок, который вы пишете, должен компилироваться сам по себе (он должен включать с #include все необходимые зависимости)
• Включайте с #include только то, что вам нужно (не включайте всё только потому, что вы можете).
• Не включайте с #include файлы .cpp.

Теги