问题

现在快2022年了,c++为什么还要实现(.cpp)和声明(.h)分开?

回答
说到C++为何还要将实现(.cpp)和声明(.h)分开,这事儿可就说来话长了,尤其是在2022年这个大家都想着效率和简洁的年代,有人觉得这套老规矩有点多余。但如果你真这么想,那可能就有点小看这套设计理念背后深刻的考量了。

这套分离的设计,说白了,就是一种对“信息隐藏”和“模块化编译”的极致追求,而且这种追求,在C++这门语言的发展过程中,扮演了极其重要的角色。

1. 模块化与信息隐藏:让代码清晰可控

想象一下,如果你写一个大型程序,所有的函数声明、变量定义、类实现,一股脑儿全塞到一个文件里,那得有多混乱?维护起来简直是场噩梦。

.h 文件:契约与接口

.h 文件(头文件)就像是一份公开的契约。它只告诉你“我有什么”,比如一个类有哪些成员变量和成员函数,函数接受什么参数,返回什么类型,但它不告诉你“我怎么做”。它提供了一个清晰的接口,让其他文件能够知道如何使用这个类或者这个函数。

比如,一个 `Person` 类,它的.h文件可能长这样:

```c++
// person.h
ifndef PERSON_H
define PERSON_H

include

class Person {
public:
Person(const std::string& name, int age); // 构造函数声明
void greet() const; // 打招呼的函数声明
int getAge() const; // 获取年龄的函数声明

private:
std::string name_; // 姓名(内部实现细节)
int age_; // 年龄(内部实现细节)
};

endif // PERSON_H
```

通过这个 `.h` 文件,你知道 `Person` 类可以创建一个对象,可以设置名字和年龄,可以打招呼,也可以获取年龄。至于 `name_` 和 `age_` 是怎么存储的,`greet()` 里面具体说了什么,这些都在 `.h` 文件之外。

.cpp 文件:实现与细节

.cpp 文件(源文件)则是幕后英雄。它包含了头文件中声明的所有东西的具体实现。它告诉你“我怎么做”。

```c++
// person.cpp
include "person.h"
include

Person::Person(const std::string& name, int age) : name_(name), age_(age) {} // 构造函数实现

void Person::greet() const {
std::cout << "Hello, my name is " << name_ << " and I am " << age_ << " years old." << std::endl;
} // greet 函数实现

int Person::getAge() const {
return age_;
} // getAge 函数实现
```

通过这种方式,用户只需要包含 `.h` 文件就能使用 `Person` 类,而不需要关心 `Person` 类内部是如何存储数据、如何实现的。这大大降低了代码的复杂性,也让代码更易于理解和维护。你可以随时修改 `.cpp` 文件中的实现细节,只要不改变 `.h` 文件中的接口,其他依赖这个类的地方就不需要做任何改动。这就是信息隐藏的威力。

2. 编译效率的基石:加速开发进程

这是将实现和声明分开的最为关键的理由之一,尤其是在大型项目中。

减少编译依赖,加快编译速度

想象一下,如果所有的实现都在 `.h` 文件里。当你修改了 `.cpp` 文件中的一个函数实现时,如果这个函数被很多其他 `.cpp` 文件直接或间接地依赖,那么所有这些文件都可能需要重新编译。在大型项目中,这可能意味着数小时甚至更长的编译时间。

有了分离,情况就大不一样了。当你在 `.cpp` 文件中修改一个函数的具体实现时:
依赖该实现的其他 `.cpp` 文件,只需要重新编译这个被修改的 `.cpp` 文件。
它们依赖的是 `.h` 文件中的声明,声明没有改变,所以它们本身不需要重新编译。
链接器会将这些重新编译的 `.cpp` 文件和之前编译好的其他 `.cpp` 文件以及库文件链接起来。

这种“只重新编译改变的部分”的能力,在保证代码可维护性的同时,极大地提升了编译效率。尤其是在团队协作开发大型项目时,编译速度直接影响开发效率。

“一次定义,多次声明”的原则

C++ 的一个核心原则是“ODR(One Definition Rule,一次定义原则)”。简单来说,就是每一个非 inline 函数、每一个类、每一个全局变量,在整个程序中只能有一个定义。

`.h` 文件中是声明(告诉编译器这个东西存在,长什么样)。
`.cpp` 文件中是定义(分配内存,给出具体的实现)。

如果将定义放在 `.h` 文件里,并且这个 `.h` 文件被多个 `.cpp` 文件包含,那么同一个定义就会出现在多个编译单元中,违反 ODR,导致链接错误。

举个例子,如果 `greet()` 的定义也在 `.h` 里:

```c++
// person.h (错误示例)
ifndef PERSON_H
define PERSON_H
include
include
class Person {
public:
Person(const std::string& name, int age);
void greet() const { // 定义在头文件里!
std::cout << "Hello, my name is " << name_ << " and I am " << age_ << " years old." << std::endl;
}
private:
std::string name_;
int age_;
};
endif
```

当你 `main.cpp` 和 `another.cpp` 都 `include "person.h"` 时,编译器会为 `main.cpp` 编译一个包含 `Person` 定义的目标文件,也会为 `another.cpp` 编译一个包含 `Person` 定义的目标文件。在链接阶段,链接器会发现有两个 `Person::greet()` 的定义,就会报错。

所以,将定义放在 `.cpp` 文件里,而声明放在 `.h` 文件里,正是为了严格遵守 ODR。

3. 独立性与复用性:构建可插拔的组件

将接口(`.h`)与实现(`.cpp`)分离,使得组件的独立性和复用性得到了极大的提升。

组件的封装性

用户只需要知道如何使用一个类或函数(通过 `.h` 文件),而无需关心其内部实现。这意味着你可以完全替换掉一个 `.cpp` 文件中的实现,只要新的实现仍然符合 `.h` 文件中声明的接口,程序的其他部分就不会受到影响。

比如,你可以为 `Person` 类开发不同的“生日祝福”实现策略,分别放在不同的 `.cpp` 文件里,然后在程序运行时选择加载哪个。

第三方库的提供

当你将自己的代码作为库提供给他人使用时,你只会提供 `.h` 文件(声明)和编译好的二进制库文件(包含 `.cpp` 的实现),而不会暴露源代码。这保护了你的知识产权,也让库的使用者无需关心复杂的内部实现细节。

4. 抽象的层次:理解复杂系统

在构建大型、复杂的软件系统时,我们经常需要处理不同抽象层次的代码。

`.h` 文件提供了较高层次的抽象,让你能快速理解一个模块能做什么。
`.cpp` 文件则提供了较低层次的具体实现,是构建和优化的基础。

这种分离使得开发者能够根据需要,在不同的抽象层次上进行思考和工作。例如,一个类设计者主要关注 `.h` 文件中的接口和类结构,而一个性能优化者可能会深入研究 `.cpp` 文件中的算法和数据结构。

回到2022年,为何仍然如此?

即使到了2022年,C++ 仍然在很多领域扮演着核心角色,比如系统编程、游戏开发、高性能计算、嵌入式系统等等。在这些领域,性能、内存管理、对硬件的精细控制是至关重要的。

虽然 C++ 也在不断发展,引入了诸如 Modules(模块)这样的新特性(在 C++20 中已经标准化),试图在某种程度上替代头文件,但 Modules 的普及还需要时间,而且它们的设计目标也更侧重于解决“命名冲突”和“编译时依赖爆炸”的问题,而非完全取代 `.h/.cpp` 分离的哲学。

`.h/.cpp` 分离的这套模型,经过了数十年的检验,它所提供的信息隐藏、模块化编译效率、代码组织和封装性,仍然是构建大型、复杂、高性能软件的坚实基础。它就像是一套成熟的工程方法论,虽然可能存在一些繁琐之处,但其带来的益处是长远且根本性的。

所以,与其说 C++ 为什么还要实现和声明分开,不如说正是因为这套分离机制,才使得 C++ 在面对复杂性和性能挑战时,能够保持其强大的生命力。这是一种权衡,一种为了可维护性、编译效率和代码组织而付出的“代价”,而这个代价,在很多场景下,是值得的。

网友意见

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因为 C++ 牵扯面更广,改起来更麻烦。

很多语言其实都有一个事实上的实现标准,然后别人都得兼容它,委员会的话语权就相对比较有限。

比如 Python 有一个 CPython 作为事实标准,作者想改那就改了,然后在文档里边体现一句,其它的 python 实现基本都得考虑与它兼容。

比如 Java 无论怎么改,都还是要以 sun 的那个为兼容性基础,不与它兼容的都是异端。那么只要它改了就大家都跟着改就行。

C#也是,基本只有微软的那一份实现,那么,微软想怎么改怎么改,就算有其它的开源实现什么的,肯定只能是跟它兼容。

C++就不一样,有非常多的厂商,独立做出了非常多的不同的实现。究竟听谁的呢?谁也不服谁,那么结果就只能是,这些厂商的技术代表,以及C++作者等人,联合起来谈判,哪些特性要加,哪些特性不加。。。而这样不可避免的就要吵架。


C++头文件分开这种事,究竟算是一个bug还是一个feature,目前已经各有各的说法,莫衷一是。

但从个人的角度,这确实是一个问题。代码只写一份实现,由编译器自动推导出声明部分或许更合适,程序员需要手动维护实现与声明确实会非常繁琐。要想从语言层面彻底解决这个问题,难度非常大,所以C++的模块才会难产那么多年。但愿,随着模块功能的增加,以后能逐渐解决这个问题吧。

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因为你的编译器需要能够尽量编译5年前,10年前,20年前甚至30年前的代码

还有C++20的module应该接解了这个问题了

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