关于#include我想说的
2020-03-19 / UNIDY

本文首发于github.com/thunlp/OOP-THU/issues/39

#include其实并不是一个非常聪明的机制——直接全文复制，也不管包含了多少用不着的代码；你也不甚清楚你包含的代码中有什么牛鬼蛇神，会不会碰巧撞上了math.h中的y1；假如处理不当，还可能惹来重复定义等令人头秃的麻烦……

在此，我列举一些初次深入了解#include时可能遇到的困扰，并加以说明。

套娃

事情开始于这样的代码：

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// A.h
#pragma once
#include "B.h"

class A {
    B b;
};
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// B.h
#pragma once
#include "A.h"

class B {
    A *a;
};
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// main.cpp
#include "A.h"

// Do your thing...

我们在类A中设置了B类型的成员变量，因此需要#include "B.h"。然而，出于某种需求，我们还希望在类B中保留对应的A的指针，因此还需#include "A.h"。看起来顺理成章。

可是，当我们编译时，g++报了错：

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B.h:6:5:error: 'A' does not name a type
     A *a;
     ^

是在B.h中报了找不到类型A的错。

奇怪，我们明明在B.h中包含了A.h啊……

探因

我们将目光聚焦到A.h上——原来，A.h标上了#pragma once。也就是说，假如A.h之前已经被包含过了，那么这次就不会再包含它了。再一看main.cpp，确实，A.h早已被包含过了。

破案了！

好，我们将A.h中的#pragma once去掉总行了吧？还不行，这次又报找不到类型B了。

那就把B.h中的#pragma once也去掉吧……停下来！不然那编译器的报错……太美……

不过，至此，这背后的原因已可见端倪——**套娃include**。C++的include最忌讳的就是套娃了。如果不加#pragma once等处理，则头文件就会永无止境地包含下去；如果加了，那你写代码时可能以为自己include过了，实际上却被编译器拦下了。

总之，这种循环包含的行为是不可取的，在实际编程中应当避免。

解决

那么，应当如何修改代码，才能既满足需求，又不出现套娃的现象呢？

在动手之前，先想想，是否真的需要在B中保留A的指针。因为，这种情况的发生，很有可能意味着你的代码设计时耦合度有些高，才会剪不断理还乱。如果能重新设计代码，让B干脆不依赖A，那是最好的。

不过，如果这一需求不可避免呢？那也有办法：

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// B.h
#pragma once

class A;  // 声明类A
class B {
    A *a;
};

我们在B.h中不去#include "A.h"，而是声明class A，供B使用，具体的细节则在A.h中给出。这样，既免去了循环包含，又能够在类B中用到类A。

至此，“套娃”的问题暂告一段落。下面，再简单提一下#pragma once和#ifndef...的事。

重复定义

我们知道，在C++中，对同一个名称，声明可以多次，但定义只能一次。为此，我们需要引入一些保证单次包含的机制，来防止因多次包含同一头文件而造成的重复定义。

#pragma once和#ifndef...的用法，在课件上都有写到。这里，对使用过程中可能遇到的疑惑和误区简单说明一下。

#ifndef XXX含义的理解

#ifndef XXX和#endif配套，可以理解为if not defined XXX，则……，end if。而在解析……所示的代码之前，需要先#define XXX，从而下次解析到这一头文件时，因为宏定义过XXX了，ifndef条件不满足，就不再解析……部分的代码了，从而保证了单次包含。

#ifndef XXX插入的位置

合理的使用方法，应当是#ifndef XXX和#define XXX置于文件的开头而#endif置于文件的末尾，这样才能保证整个文件只被包含一次。

我之前见到过这样的写法：

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#ifndef __HEADER__
#define __HEADER__

#include <iostream>
#include <algorithm>

#endif

class Test {
    // ...
};

这就违背保证整个文件只被包含一次的初衷了。假如这一头文件被包含多次，那也会造成Test的重复定义。

（当然，我个人以为出现这样的错误也与课件上只给了用法没给示例有关。）

#pragma once和#ifndef...的区别

#pragma once可以简单快捷地保证物理上的这一文件只被包含一次，不过缺点在于一些编译器可能不支持。（当然，越来越多的编译器已经支持这一功能了。）

#ifndef XXX则是从代码层面保证单次包含，且类似写法可以在其它场合有一些灵活的运用。缺点在于你需要保证不同头文件的XXX不要撞车，否则也会导致预期之外的结果。（当然，许多IDE会为新建的.h文件自动加上#ifndef...等语句，可以省去不少麻烦。）

写在最后

读到这里，或许你对#include的机制更加不理解了还有一些困惑。也许，你很想亲自看到，编译器对这些带#的语句到底做了些什么。

这时，我们来了解一下g++的预编译指令。例如：

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g++ -E main.cpp -o main.i

-E表示当前的任务是对main.cpp进行预编译。预编译的一个任务就是将这些带#的宏命令进行处理，比如#include的内容会在预编译时展开。这时，你就能看到那些头文件到底是谁先谁后了。

本文链接：https://www.unidy.cn/articles/include/