1.头文件的作用

通常，一个常规的C语言程序会包含多个源码文件（.c），当某些公共资源需要在各个源码文件中使用时，为了避免多次编写相同的代码，一般的做法是将这些大家都需要用到的公共资源放入头文件（.h）当中，然后在各个源码文件中直接包含即可。

头文件的内容

• 头文件中所存放的内容，就是各个源码文件的彼此可见的公共资源，包括：

  1. 全局变量的声明。
  2. 普通函数的声明。
  3. 静态函数的定义。
  4. 宏定义。
  5. 结构体、联合体的定义。
  6. 枚举常量列表的定义。
  7. 其他头文件。

• 示例代码：

// head.h
extern int global; // 1，全局变量的声明
extern void f1();  // 2，普通函数的声明
static void f2()   // 3，静态函数的定义
{
   
    ...
}
#define MAX(a, b) ((a)>(b)?(a):(b)) // 4，宏定义
struct node    // 5，结构体的定义
{
   
    ...
};
union attr    // 6，联合体的定义
{
   
    ...
};
#include <unistd.h> // 7，其他头文件
#include <string.h>
#include <stdint.h>

• 特别说明：

  1. 全局变量、普通函数的定义一般出现在某个源文件（*.c *.cpp）中，其他的源文件想要使用都需要进行声明，因此一般放在头文件中更方便。

  2. 静态函数、宏定义、结构体、联合体的定义都只能在其所在的文件可见，因此如果多个源文件都需要使用的话，放到头文件中定义是最方便，也是最安全的选择。

头文件的使用

头文件编写好了之后，就可以被各个所需要的源码文件包含了，包含头文件的语句就是如下预处理指令：

// main.c
#include "head.h"  // 包含自定义的头文件
#include "stdio.h" // 包含系统预定义的文件

int main()
{
   
    ...
}

可以看到，在源码文件中包含指定的头文件有两种不同的形式：

• 使用双引号：在指定位置 + 系统标准路径搜索 head.h
• 使用尖括号：在系统标准路径搜索 stdio.h

​ 一个简易示例

由于自定义的头文件一般放在源码文件的周围，因此需要在编译的时候通过特定的选项来指定位置，而系统头文件都统一放在标准路径下，一般无需指定位置。

假设在源码文件 main.c 中，包含了两个头文件：head.h 和 stdio.h ，由于他们一个是自定义头文件，一个是系统标准头文件，前者放在项目 pro/inc 路径下，后者存放于系统头文件标准路径下（一般位于 /usr/include），因此对于这个程序的编译指令应写作：

gec@ubuntu:~/pro$ gcc main.c -o main -I /home/gec/pro/inc

其中，/home/gec/pro/inc 是自定义头文件 head.h 所在的路径

• 语法要点：
  • 预处理指令 #include 的本质是复制粘贴：将指定头文件的内容复制到源码文件中。
  • 系统标准头文件路径可以通过编译选项 -v 来获知，比如：

gec@ubuntu:~/pro$ gcc main.c -I /home/gec/pro/inc -v
... ...
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
    /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include
    /usr/local/include
    /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include-fixed
    /usr/include/x86_64-linux-gnu
    /usr/include
... ...

头文件的格式

由于头文件包含指令 #include 的本质是复制粘贴，并且一个头文件中可以嵌套包含其他头文件，因此很容易出现一种情况是：头文件被重复包含。

• 使用条件编译，解决头文件重复包含的问题，格式如下：

#ifndef _HEADNAME_H
#define _HEADNAME_H

...
... (头文件正文)
...

#endif

件编译，解决头文件重复包含的问题，格式如下：

#ifndef _HEADNAME_H
#define _HEADNAME_H

...
... (头文件正文)
...

#endif

其中，HEADNAME一般取头文件名称的大写

2.预处理

在C语言程序源码中，凡是以井号（#）开头的语句被称为预处理语句，这些语句严格意义上并不属于C语言语法的范畴，它们在编译的阶段统一由所谓预处理器（cc1）来处理。所谓预处理，顾名思义，指的是真正的C程序编译之前预先进行的一些处理步骤，这些预处理指令包括：

1. 头文件：#include
2. 定义宏：#define
3. 取消宏：#undef
4. 条件编译：#if、#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif
5. 显示错误：#error
6. 修改当前文件名和行号：#line
7. 向编译器传送特定指令：#progma

• 基本语法
  • 一个逻辑行只能出现一条预处理指令，多个物理行需要用反斜杠连接成一个逻辑行
  • 预处理是整个编译全过程的第一步：预处理 - 编译 - 汇编 - 链接
  • 可以通过如下编译选项来指定来限定编译器只进行预处理操作：

gcc example.c -o example.i -E

编译过程

编译过程分为以下四个阶段：

1)预处理：处理预处理语句（#开头的语句），删除注释、头文件展开、宏替换...
			gcc  hello.c  -o  hello.i  -E
2)编译:将C语言程序转化为汇编语言
			gcc  hello.c  -o  hello.s  -S
3)汇编：将程序代码转化为二进制代码
			gcc  hello.c  -o  hello.o   -c
4)链接：将所有二进制代码合并起来，根据应用规则生成一个专门针对某个平台执行的应用程序镜像
			gcc  hello.c  -o  hello

3.宏的概念

宏（macro）实际上就是一段特定的字串，在源码中用以替换为指定的表达式。例如：

#define PI 3.14

此处，PI 就是宏（宏一般习惯用大写字母表达，以区分于变量和函数，但这并不是语法规定，只是一种习惯），是一段特定的字串，这个字串在源码中出现时，将被替换为3.14。例如：

int main()
{
   
    printf("圆周率: %f\n", PI); 
    // 此语句将被替换为：printf("圆周率: %f\n", 3.14);
}

• 宏的作用：

  • 使得程序更具可读性：字串单词一般比纯数字更容易让人理解其含义。
  • 使得程序修改更容易：修改宏定义，即修改了所有该宏替换的表达式。
  • 提高程序的运行效率：程序的执行不再需要函数切换开销，而是就地展开。

  #include