头文件是必须的吗？跟一跟编译过程~~~

C/C++中头文件是必须的吗？

不是。

都知道，编译一段代码包括如下阶段：

• 预处理（Preprocessing）
• 编译（Compilation）
• 汇编（Assembly）
• 链接（Linking）

其中，预处理的职责包括展开#define宏定义，处理诸如#if/#ifdef/#ifndef之类的条件编译指令，以及处理#include，将被包含的文件直接插入到预编译指令的位置。当然，预处理过程还负责删除注释等职责。

so？预处理阶段会将#include包含的文件直接插入到源文件.cpp中去。头文件实际上并不会被编译，编译器只会编译源文件。只是在编译之前，会将源文件中#include包含的文件在源文件中展开。（这就好比什么呢？打个不恰当的比方，你在写一篇论文，论文中需要参考Jungle的一篇文章《识别C++代码质量的诀窍，在这里……》。结果预处理的时候，你直接把这篇文章全放到你的论文里了）。

所以，可以手动把头文件中的内容搬到源文件，然后删掉头文件，如下图：

理论上是这样的，而且理论上行得通。但操作起来可不现实，比如，你确定要把下面两个文件搬到源文件中吗？而且头文件中还包含其他头文件，不知道得向上追溯多少级才到头？实际上也没人这么做，Jungle只是想看看这里面的东西。而且这也是头文件存在的必要之处，即，但凡我想在当前源文件中使用其他源文件中的函数、变量，甚至是其他库、系统的函数，我只需要#include相关头文件即可。如果我想在另一个源文件中继续使用，那就再添加#include相关的代码。需要注意的是要避免同一个头文件被重复包含。

#include <iostream>
#include <stdio>

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接下来再做一个测试：

如上图结构的文件，这次我手动把#include在源文件中展开：

如上图，这也是ok的，可以编译成功。这相当于：

• main.cpp中首先添加了func()函数声明，然后在main()函数中调用了func()。
• func.cpp中也添加了func()函数声明，同时给出了func()函数的定义。其实这里的声明可以不要了，直接给func()函数的定义。当然，你也可以声明多次。

那么main.cpp中能否也把func()声明删掉呢？

看来不行，报错说在该作用域内func没有声明。注意我这里是单独编译main.cpp，加上func.cpp也是一样的：

PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -o app main.cpp func.cpp
main.cpp: In function 'int main(int, char**)':
main.cpp:5:5: error: 'func' was not declared in this scope
     func();

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嗯，这不难理解，因为编译过程本身就是把每个源文件单独编译为一个目标文件，然后再把各个目标文件链接起来。也就是说，我们通常说的“编译程序”或“编译工程”，实际上包括了整个阶段（预处理、编译、汇编、链接）。那上面的问题是在哪个子过程报出来的呢？不知道原理也没关系，一步一步试下！

首先预处理肯定没问题，预处理只是原地展开而已。而且上面的测试我在main.cpp中删掉了func()声明，就等于在main.cpp中删掉#include。所以可以认为“没有预处理过程”（实际上是有的，因为预处理过程还负责生成行号等等职责）。

那是编译过程出的错吗？不妨单独看看是否能够编译成功：

PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -S main.cpp
main.cpp: In function 'int main(int, char**)':
main.cpp:5:5: error: 'func' was not declared in this scope
     func();
     ^~~~

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oh，是编译阶段出的错，报错信息跟上面是一样的（废话）。编译过程包括词法分析、语法分析、语义分析、代码优化及目标代码生成等过程。这里的目标代码是汇编代码，所以g++ -S会产生一个汇编文件。

在这里，func是一个未经声明就使用的东西（实际上，如果在main()函数中直接写一行a=10会报相同的错，即'a' was not declared in this scope)，在语义分析阶段会被检查出来。

声明变量可以告诉编译器这个变量类型是什么，占多少个字节。声明函数则可以告诉编译器函数名是什么、返回类型是什么、参数个数、参数类型是什么。不声明就使用，别人怎么知道func是什么东西呢？

那还是加上声明吧，然后单独编译main.cpp：

可以看到，编译成功了，生成了main.s汇编文件。

汇编也成功了，生成了目标文件main.o。

可链接报错了：

PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -S main.cpp
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -c main.s
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -o app main.o
main.o:main.cpp:(.text+0x15): undefined reference to `func()'
collect2.exe: error: ld returned 1 exit status

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报错说，未定义的引用func()。上面的ld是链接器，是一个可执行程序，它的输入是一个或多个目标文件，如上面指令中的main.o。

也就是说，目标文件main.o中引用了func()，但链接器找不到它的定义。main.cpp中确实没有func()函数的定义，但func.cpp中有。那不妨我们把func.cpp也编译并生成目标文件func.o，然后链接的时候同main.o一同作为ld的输入：

PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -S main.cpp
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -c main.s
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -S func.cpp
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -c func.s
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -o app main.o func.o
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler>

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这下成功了，生成了可执行程序app.exe。显然，main.o中引用但未定义的func()被链接器在func.o中找到了。即，链接器在面对一个目标文件时，如果碰到里面有未定义的引用，会在其他目标文件中查找，如果找不到，则报错“undefined reference to”。如果找到有且仅有一个，则pass。

如果找到多个：

如上图，同时在main.cpp和func.cpp中给出了func()函数定义，编译和汇编单个文件都是成功的，但是链接报错说func()有多个定义。而且，链接时输入目标文件的顺序与first defined here相关。

我们还是在main.cpp中只保留func()函数的声明，再单独编译汇编生成main.o。接下来用nm看下main.o符号表中的内容：

PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -S .\main.cpp
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> g++ -c main.s
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler> nm main.o
0000000000000000 b .bss
0000000000000000 d .data
0000000000000000 p .pdata
0000000000000000 r .rdata$zzz
0000000000000000 t .text
0000000000000000 r .xdata
                 U __main
                 U _Z4funcv
0000000000000000 T main
PS F:\Jungle\1.Program\4.C++\4.Compiler>

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其中：U代表该符号在当前文件中是未定义的。如果在main.cpp中加上func()函数定义，再尝试上面步骤，得到：

0000000000000000 b .bss
0000000000000000 d .data
0000000000000000 p .pdata
0000000000000000 r .rdata$zzz
0000000000000000 t .text
0000000000000000 r .xdata
                 U __main
0000000000000000 T _Z4funcv
0000000000000002 T main

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可以看到，符号_Z4funcv前面的标识变为T了，标识该符号位于代码段text section。

再跟下去就讲不完了。。。

回到题目上来，头文件是必须的吗？不是，头文件会在预处理阶段被展开。但头文件会我们编程带来极大便利，要使用某个函数、某个变量了，那就#include。本文只是就着这个问题，跟了下编译的过程，看看平常开发过程中遇到的编译报错“未定义的引用”、“未声明的变量”这些错误来源是哪原因是什么。