【C++】C++中的分离式编译

在C++中随着程序越来越复杂，我们希望把程序的各个部分分别储存在不同的文件中。C++支持的分离式编译（separate compilation）允许我们把程序分割到几个文件中去，每个文件独立编译。

头文件以.h为后缀，主要包含类和函数的声明；实现文件以.cpp为后缀。可以这样理解，头文件中包含就是一些接口声明，而实现文件就是对这些接口进行定义。
例如：

文件：Num.h

class Num{
    private:
        int num;
    public:
        Num();
        Num(int);
        int getNum();
};

文件：Num.cpp

#include "Num.h"

Num::Num() : num(0){}
Num::Num(int n) : num(n){}
int Num::getNum(){
return num;
}

文件：NumTest.cpp

#include <iostream>
#include "Num.h"

using namespace std;

int main(int argc,char **argv){
    Num n(20);
    cout << n.getNum() << endl;
return 0;
}

然后使用如下命令进行编译：

g++ NumTest.cpp Num.cpp -o NumTest

注意：必须在任何使用Num类的地方添加上 #include "Num.h" ，上面的案例中 NumTest.cpp 和 Num.cpp 文件都使用到了Num类，应此都必须在文件顶部引入 Num.h 文件。

#ifndef

有时我们可能会多次包含同一个文件，在C++中出现重复声明是不允许的。在上面的案例中 Num.cpp 和 NumTest.cpp 文件都包含了Num.h文件，但Num.cpp和NumTest.cpp是分开编译的，所以不会出现重复定义。
为了演示该错误，我们重新定义一个文件。

文件：Foo.h

#include "Num.h"

class Foo{
 public:
  Num n;
};

注意：这里没有Foo.cpp文件，因为Foo.h头文件没有什么需要被实现的。

接下来进行测试

文件：NumFooTest.cpp

#include <iostream>
#include "Num.h"
#include "Foo.h"

using namespace std;

int main(int argc,char **argv){
    Num n(20);
    cout << n.getNum() << endl;

    Foo f;
    cout << f.n.getNum() << endl;
return 0;
}

当笔者试图使用 g++ NumFooTest.cpp Num.cpp -o NumFooTest 命令进行编译时，出现如下的错误信息：

In file included from Foo.h:1:0,
 from NumFooTest.cpp:3:
Num.h:1:7: error: redefinition of ‘class Num’
In file included from NumFooTest.cpp:2:0:
Num.h:1:7: error: previous definition of ‘class Num’
main.cpp: In function ‘int main()’:
main.cpp:13:13: error: ‘class Foo’ has no member named ‘num’ 

从错误信息中可以看出错误原因是Num类重复定义了，为了解决这种问题可以使用#ifndef，#ifndef的功能可描述为如下：“如果宏语句未定义语句1则执行程序2，否则执行程序3”。
例如：

#ifndef NUM_H
#define NUM_H
<define class or whatever else>
#endif 

当首次编译时 NUM_H 未被定义，所以 #ifndef NUM_H 条件为真，然后会执行 #define NUM_H 定义 NUM_H 并且执行我们定义的其他操作。若其后再次编译到该文件，由于 NUM_H 已经被定义了，所以 #ifndef NUM_H 条件为假，也就不会执行 #ifndef 到 #endif 间的任何代码。在知道了 #ifndef 的原理后，我们知道只需要将 #ifndef 语句应用到上面的 Num.h 文件，则会解决重复定义的问题。

文件：Num.h

#ifndef NUM_H
#define NUM_H
class Num{
    private:
        int num;
    public:
        Num();
        Num(int);
        int getNum();
};
#endif

#pragma once

除了是使用#ifndef语句避免重复定义，还可以将#pragma once添加到文件的开头，也可以完成同样的功能。Visual Studio默认使用的就是#pragma once。

文件：Num.h

#pragma once
class Num{
    private:
        int num;
    public:
        Num();
        Num(int);
        int getNum();
};

分离编译

完成分离式编译的步骤：
1.将.cpp文件编译为对象文件，该对象文件包含.cpp文件的机器码。
2.将对象文件链接到可执行文件。

将.cpp编译为对象文件，可以使用g++加上命令行选项 -c

g++ -c NumFooTest.cpp Num.cpp

这行命令会产生 NumFooTest.o 和 Num.o 对象文件。

然后将它们链接为可执行文件，我们再次使用g++命令：

g++ NumFooTest.o Num.o -o NumFooTest

这样就会产生可以执行文件NumFooTest。

如果改变了NumFooTest.cpp文件，我们只需要重新编译NumFooTest.cpp文件就行了

g++ -c NumFooTest.cpp

得到NumFooTest.o对象文件。

然后链接为可执行文件：

g++ NumFooTest.o Num.o -o NumFooTest

只编译变动过的文件可以为我们节约编译时间，大多数的IDE会自动帮助我们完成这一部分功能。

make命令

在一个很大的项目中很难去手动编译很多文件。如果你使用IDE的话，这些命令可以由IDE代劳。但如果未使用IDE的话，那么必须手动去完成。在大型项目中，使用 g++ 手动链接成百的文件，这是不可能的。
这时可以使用make命令，首先创建一个文件Makefile，然后在其中添加我们编译需要依赖的信息。

文件：Makefile

CFLAGS = -O
CC = g++
NumTest: NumTest.o Num.o
    $(CC) $(CFLAGS) -o NumTest NumTest.o Num.o
NumTest.o: NumTest.cpp
    $(CC) $(CFLAGS) -c NumTest.cpp
Num.o: Num.cpp
    $(CC) $(CFLAGS) -c Num.cpp
clean:
    rm -f core *.o

然后输入 make 命令，Linux就会自动去解析 Makefile 文件。

关于Makefile文件需要注意两点：

第一，Makefile 文件的名称是固定的（不能改变，没有后缀）；

第二，缩进是Tab不是space。

接下来解析一下上面的命令：

NumTest: NumTest.o Num.o 

表示 NumTest 由 NumTest.o 和 Num.o 生成。

$(CC) $(CFLAGS) -o NumTest NumTest.o Num.o

其中 $(CC) 会被替换为 g++ ， $(CFLAGS) 会被替换为 -0 ，替换后的命令会生成 NumTest 文件。文件中的其他命令也是类似的道理，最后的clean表示清理文件， rm -f core *.o 会删除所有以o结尾的文件（也就是生成 NumTest 的所有中间文件——对象文件）。

上面的文件内容依然比较复杂，如果换成如下的命令，除了可以使用上面那种格式，还可以在Makefile中使用下面这种格式：

CFLAGS = -O
CC = g++
SRC = NumTest.cpp Num.cpp
OBJ = $(SRC:.cpp = .o)
NumTest: $(OBJ)
　　$(CC) $(CFLAGS) -o NumTest $(OBJ)
clean:　　
　　rm -f core *.o 

参考文章：C++ Separate Header and Implementation Files