C++中頭文件相互包含與前置聲明


一、類嵌套的疑問

C++頭文件重復包含實在是一個令人頭痛的問題,前一段時間在做一個簡單的數據結構演示程序的時候,不只一次的遇到這種問題。假設我們有兩個類A和B,分別定義在各自的有文件A.h和B.h中,但是在A中要用到B,B中也要用到A,但是這樣的寫法當然是錯誤的:

class B;

class A
{
      public:
          B b;
};

class B
{
      public:
          A a;
};

 

因為在A對象中要開辟一塊屬於B的空間,而B中又有A的空間,是一個邏輯錯誤,無法實現的。在這里我們只需要把其中的一個A類中的B類型成員改成指針形式就可以避免這個無限延伸的怪圈了。為什么要更改A而不是B?因為就算你在B中做了類似的動作,也仍然會編譯錯誤,表面上這僅僅上一個先后順序的問題。
      為什么會這樣呢?因為C++編譯器自上而下編譯源文件的時候,對每一個數據的定義,總是需要知道定義的數據的類型的大小。在預先聲明語句class B;之后,編譯器已經知道B是一個類,但是其中的數據卻是未知的,因此B類型的大小也不知道。這樣就造成了編譯失敗,VC++6.0下會得到如下編譯錯誤:
      error C2079: 'b' uses undefined class 'B'
將A中的b更改為B指針類型之后,由於在特定的平台上,指針所占的空間是一定的(在Win32平台上是4字節),這樣可以通過編譯。

二、不同頭文件中的類的嵌套

      在實際編程中,不同的類一般是放在不同的相互獨立的頭文件中的,這樣兩個類在相互引用時又會有不一樣的問題。重復編譯是問題出現的根本原因。為了保證頭文件僅被編譯一次,在C++中常用的辦法是使用條件編譯命令。在頭文件中我們常常會看到以下語句段:

#if !defined XXX_H
#define XXX_H
      //……
#endif

  其中首句#if !defined也經常做#ifndef,作用相同。意思是如果沒有定義過這個宏,那么就定義它,然后執行直到#endif的所有語句。如果下次在與要這段代碼,由於已經定義了那個宏,因此重復的代碼不會被再次執行。這實在是一個巧妙而高效的辦法。在高版本的VC++上,還可以使用這個命令來代替以上的所有:
      #pragma once
它的意思是,本文件內的代碼只被使用一次。

      但是不要以為使用了這種機制就全部搞定了,比如在以下的代碼中:

//文件A.h中的代碼
#pragma once

#include "B.h"

class A
{
      public:
          B* b;
};

//文件B.h中的代碼
#pragma once

#include "A.h"

class B
{
      public:
          A* a;
};

 

這里兩者都使用了指針成員,因此嵌套本身不會有什么問題,在主函數前面使用#include "A.h"之后,主要編譯錯誤如下:
      error C2501: 'A' : missing storage-class or type specifiers
仍然是類型不能找到的錯誤。其實這里仍然需要前置聲明。分別添加前置聲明之后,可以成功編譯了。代碼形式如下:

//文件A.h中的代碼
#pragma once

#include "B.h"

class B;

class A
{
      public:
          B* b;
};

//文件B.h中的代碼
#pragma once

#include "A.h"

class B;

class B
{
      public:
          A* a;
};

 

  這樣至少可以說明,頭文件包含代替不了前置聲明。有的時候只能依靠前置聲明來解決問題。我們還要思考一下,有了前置聲明的時候頭文件包含還是必要的嗎?我們嘗試去掉A.h和B.h中的#include行,發現沒有出現新的錯誤。那么究竟什么時候需要前置聲明,什么時候需要頭文件包含呢?

三、兩點原則

      頭文件包含其實是一想很煩瑣的工作,不但我們看着累,編譯器編譯的時候也很累,再加上頭文件中常常出現的宏定義。感覺各種宏定義的展開是非常耗時間的,遠不如自定義函數來得速度。我僅就不同頭文件、源文件間的句則結構問題提出兩點原則,僅供參考:


  第一個原則應該是,如果可以不包含頭文件,那就不要包含了。這時候前置聲明可以解決問題。如果使用的僅僅是一個類的指針,沒有使用這個類的具體對象(非指針),也沒有訪問到類的具體成員,那么前置聲明就可以了。因為指針這一數據類型的大小是特定的,編譯器可以獲知。


  第二個原則應該是,盡量在CPP文件中包含頭文件,而非在頭文件中。假設類A的一個成員是是一個指向類B的指針,在類A的頭文件中使用了類B的前置聲明並便宜成功,那么在A的實現中我們需要訪問B的具體成員,因此需要包含頭文件,那么我們應該在類A的實現部分(CPP文件)包含類B的頭文件而非聲明部分(H文件)。


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