将头文件包含到实现文件中实际上有什么作用？

Question

我正在阅读 Bjarne Stroustrups 使用 C++ 的原理和实践，并在第 8.3 章中遇到有关头文件的以下内容：

为了简化一致性检查，我们在源代码中 #include 一个标头 使用其声明的文件以及提供的源文件 这些声明的定义。这样，编译器就会捕获 尽快出错。

由此产生了两个问题：

1. 将头文件包含到实现文件中实际上如何让编译器更快地捕获错误。
2. 思考问题1。我开始想知道除了编译器能够更快地捕获错误之外，为什么还需要将头文件包含到实现文件中。我明白为什么将头文件导入到另一个翻译单元以访问其声明，然后让链接器将这些声明连接到实现是合乎逻辑的。但是链接器如何在实现和声明之间建立联系呢？将头文件包含到实现文件中是否告诉链接器声明 x 应该连接到定义 x？

然后我进行了一些测试，看看如果我不将标头包含到实现文件中会发生什么：

main.cpp：

#include "test_utility.h"

int main()
{
    utility::printString("hello");
}

test_utility.h：

#ifndef TEST_UTILITY
#define TEST_UTILITY

#include <string>

namespace utility
{
    void printString(const std::string& str);
}

#endif

test_utility.cpp：

#include <iostream>
#include <string>
//#include "test_utility.h"

namespace utility
{
    void printString(const std::string& str)
    {
        std::cout << str << std::endl;
    }
}

我预计这段代码会出现链接器错误，指出找不到

printString()

的定义。令我惊讶的是，编译器（gcc Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04）没有给出任何警告、错误，并且代码运行良好。那么将标头包含到实现文件中到底有什么意义呢？难道只是像 Stroustrup 所说的那样帮助编译器更快地捕获错误吗？看来链接器能够将相应的实现连接到相应的定义，而无需实现文件中的标头。

例如：

#include <iostream>
#include <string>
//#include "test_utility.h"

namespace utility
{
    void printString(const std::string& str, int x)
    {
        std::cout << str << std::endl;
    }
}

在我的测试中仍然生成链接器错误。

Answer 1

头文件基本上说“存在一个函数

void printString(const std::string&, int)

，但没有给出实际的实现。它仍然足以让编译器编译调用该函数的代码。

实现文件包含标头，以确保它是同一件事，并获取在那里声明的其他内容。

如果您创建一个全局函数而没有前面的原型声明，编译器甚至可以警告您，这样您就不会意外错过标头。对于

g++

，这是由

-Wmissing-declarations

启用的（这是我一直启用的众多警告之一）。由于您没有收到该警告，因此您的第二个示例编译得很好，只有链接器抱怨，因为您承诺存在的函数实际上并不存在于您的代码中。

另外，对于类来说，头文件已经提供了很多详细信息，所以它是绝对必需的。对于函数，您可以不包含标头，但根本不建议这样做，因为您不想在代码中不必要地重复某些内容，并且您希望编译器尽早检查而不是稍后检查。
此外，大多数标头不只是声明一个函数——还有类和类型。

Answer 2

我想到并证明其合理性的一个例子

将头文件包含到实现文件中实际上如何让编译器更快地捕获错误。

考虑

header.h

：

int printString(const std::string& str);

和实施

impl.cpp

int printString(const std::string& str) {
    std::cout << str << std::endl;
    return 0;
}

然后假设您在代码中的某个位置包含

header.h

并使用

int res = printString("hello");

。您的

res

等于 0。然后您决定进行重构，并将实现更改为

void printString(const std::string& str) {
    std::cout << str << std::endl;
}

现在您的程序可以编译并链接，但是此语句

int res = printString("hello");

具有未定义的行为。如果您在实现中包含

header.h

，编译器会抱怨

错误：对‘void printString(const string&)’的新声明产生歧义