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c++面试：类定义为什么可以放到头文件中

news 来源：原创 2025/5/21 18:18:45

这个问题是刚了解预编译的时候产生的疑惑。

声明是指向编译器告知某个变量、函数或类的存在及其类型，但并不分配实际的存储空间。声明的主要目的是让编译器知道如何解析程序中的符号引用。
定义不仅告诉编译器实体的存在，还会为该实体分配存储空间（对于变量）或者提供具体的实现（对于函数）。定义只能出现一次，以避免重复定义错误。
类定义描述了一个类型（或称“蓝图”），它定义了该类型的成员变量、成员函数以及其他特性。类定义本身并不分配内存，它只是提供了创建对象的模板。【很明显与函数定义和变量定义很不相同】对象定义则是基于某个类创建的具体实例，它会在内存中分配空间。
编译器将类中声明的函数视为内联函数。当你在类定义内部定义成员函数时（即直接在类体内部提供函数体），这些函数默认为是inline的，如果使用 inline ，则意味着编译器会在调用此函数的地方把函数的目标代码直接插入，而不是放置一个真正的函数调用，实际作用就是这个函数事实上已经不再存在，而是像宏一样被就地展开了，因此不存在重复定义的问题。

总而言之，类定义其实只是描述了一个类型，并不会分配具体的空间，在类内实现的函数编译器认为是inline，调用时会展开成具体的代码，所以不存在重复定义。因此类定义可以放到头文件中被不同的源文件引用也不会产生重复定义的问题。

两次导入头文件

预编译指令是以井号（#）开头的指令，它们在编译器进行编译之前执行。预编译指令不是C++语句，因此它们不以分号（;）结尾。预编译指令包括但不限于以下几种：

#include：用于包含头文件，将头文件的内容插入到源文件中。系统提供的头文件使用尖括号<>括起来，而用户自定义的头文件使用双引号""括起来。
#define：用于定义宏，宏可以是简单的符号常量或带参数的宏。宏定义在预处理阶段会被替换成相应的文本。
#if、#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif：这些条件编译指令用于根据条件判断是否编译某部分代码。

// add.h
int add(int, int);
class Person{
public:int age;
}// add.cpp
#include "add.h"
#include "add.h"
int add(int a, int b) {return a + b;
}

我们使用g++ -E add.cpp -o add.i的命令可以得到预编译后的文件

// 遇见#include "add.h"，将add.h中的内容展开// 第一次执行#include "add.h"展开成如下内容
int add(int, int);
class Person{
public:int age;
}// 第二次执行#include "add.h"展开成如下内容
int add(int, int);
class Person{
public:int age;
}int add(int, int);
class Person{
public:int age;
}int add(int a, int b) {return a + b;
}

可以看到Person这个类被定义了两次，很明显是不合理的，我们可以通过#ifndef来解决。

// add.h
#ifndef __ADD_H // 如果没有定义过__ADD_H这个宏
#define __ADD_H // 那么就定义这个宏int add(int, int);
class Person{
public:int age;
}#endif

第一次引入add.h的时候还没有定义过__ADD_H，那么就定义这个宏以及头文件里的内容，第二次引入add.h的时候，已经定义过__ADD_H了，那么就不将内容替换进去。对于cpp而言，还可以使用#pragma once

#pragma once
int add(int, int);
class Person{
public:int age;
}

定义和声明

在C++中，定义和声明是两个不同的概念，它们各自有着明确的用途和含义。理解这两者的区别对于编写正确且高效的C++代码至关重要。

声明是指向编译器告知某个变量、函数或类的存在及其类型，但并不分配实际的存储空间。声明的主要目的是让编译器知道如何解析程序中的符号引用。例如：

extern int a; // 声明一个名为a的整型变量，但不分配内存
int add(int x, int y); // 声明一个名为add的函数，但不提供实现
class MyClass; // 前置声明，仅声明了MyClass的存在

声明允许你在代码的一个部分提到某个实体，并在另一个部分提供其实现或定义。这对于模块化编程特别有用，因为它使得你可以将接口与实现分离。

定义不仅告诉编译器实体的存在，还会为该实体分配存储空间（对于变量）或者提供具体的实现（对于函数）。定义只能出现一次，以避免重复定义错误。

int a = 10; // 定义了一个名为a的整型变量，并初始化为10int add(int x, int y) {return x + y;
} // 定义并实现了add函数void MyClass::myFunction() {// 函数实现
}

一个实体只能有一个定义（遵循“一个定义原则”，ODR），但在多个源文件中可以进行声明。并且定义会导致为变量分配存储空间或为函数生成机器码，而声明不会。

类为什么可以放到头文件中

类或者结构体只是描述了对数据的组织方式，并不需要申请空间，所以是声明，因此可以在多个文件中引用。

类定义：类定义描述了一个类型（或称“蓝图”），它定义了该类型的成员变量、成员函数以及其他特性。类定义本身并不分配内存，它只是提供了创建对象的模板。
对象定义：对象定义则是基于某个类创建的具体实例，它会在内存中分配空间。

通常我们会将类定义在头文件中，在.cpp文件中实现方法，cpp中的类函数才会生成字节码，才是真实的类方法实现（定义），而.h中的类函数则相当于只是一个【接口声明】，不会生成真正的代码。

编译器将类中声明的函数视为内联函数。因此，当您调用这个类函数时，有两个选项：

默认视为内联：当你在类定义内部定义成员函数时（即直接在类体内部提供函数体），这些函数默认为是inline的，如果使用 inline ，则意味着编译器会在调用此函数的地方把函数的目标代码直接插入，而不是放置一个真正的函数调用，实际作用就是这个函数事实上已经不再存在，而是像宏一样被就地展开了，因此不存在重复定义的问题。
弱符号：在某些情况下，如果编译器决定不对某个inline函数进行内联，它会将该函数作为“弱符号”处理。这意味着，尽管该函数在多个翻译单元中有定义，但在链接阶段只会保留一个副本。链接器会选择其中一个定义作为最终使用的版本，而忽略其他重复的定义。这确保了即使有多个定义存在，也不会导致链接错误。

假设我们有一个简单的类定义如下：

// MyClass.h
#pragma onceclass MyClass {
public:void inlineFunction() { std::cout << "Inline function called" << std::endl; } // 内联函数void nonInlineFunction(); // 声明非内联函数
};

然后在对应的.cpp文件中定义非内联成员函数：

// MyClass.cpp
#include "MyClass.h"
#include <iostream>void MyClass::nonInlineFunction() { // 定义非内联函数std::cout << "Non-inline function called" << std::endl;
}

在另一个源文件中使用这个类：

// main.cpp
#include "MyClass.h"int main() {MyClass obj;obj.inlineFunction();obj.nonInlineFunction();return 0;
}

在这个例子中：

inlineFunction 是在类定义内部定义的，因此它被视为inline函数。即使在多个源文件中包含MyClass.h，也不会违反ODR，因为这些定义是相同的。
nonInlineFunction 的定义只存在于MyClass.cpp中，符合ODR的要求，因为它在整个程序中只有一个定义。

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