C++ 基础（十）程序文件和预处理指令

本文主要是介绍C++ 基础（十）程序文件和预处理指令，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

1. 理解转换单元

• 头文件包含函数声明和类型定义，源文件创建额外的函数定义。
• 源文件所包含的头文件的内容称为一个转换单元。
• 编译器独立处理程序中每个转换单元来生成对象文件。
• 单一定义原则：
  • 单一定义原则ODR是一个重要概念，程序中定义的每个实体类型对应一个规则。
  • ODR思想：有助于更好理解如何多个文件中组织程序的代码。
    • 转换单元中，变量，函数，类类型，枚举类型，模板都只能定义一次。不同代码块中，定义的变量可以由相同的名称。
    • 整个程序内部，大部分函数和变量必须定义一次，且只能被定义一次。内联函数和变量定义需要在调用它们的每个转换单元出现一次，但它们的定义必须相同。
    • 类和枚举类型通常出现在多个转换单元中，几个转换单元允许分别包含定义，定义必须相同。
    • 函数模板，使用之前未见的模板实参实例化的单元中，包含模板定义。
• 文件和链接
  • 转换单元中的名称在编译/链接过程中处理方式由链接属性确定。
  • 链接属性指定了由一个名称表示的实体可以在程序的什么中使用。
  • 每个名称，要么由链接属性，要么没有链接属性。某个名称由于在声明该名称的作用域外部访问程序时，有链接属性，否则没有链接属性。
• 确定名称的链接属性
  • 内部链接属性：该名称表示的实体可以在同一个转换单元内任何地方访问。
  • 外部链接属性：除了在定义它的转换单元中访问外，还可以在另一个转换单元访问。
  • 没有链接属性：没有链接属性，该名称只能应用于改名称的作用域中访问。
• 外部函数：
  • 函数没有在调用它的转换单元中定义，编译器会把这个调用标记为外部的，让链接程序处理。
  • #include 一句指令，也会在转换单元中引入大量的代码。
• 外部变量：
  • 在源文件中使用外部定义的变量，方法是在外部的cpp文件中定义变量，在使用时extern导入。
    • int power_range {3};  // Range.cpp                   extern int power_range;  // main.cpp
    • extern声明中不能指定初始值，它是名称的声明，不是变量的定义。
    • 函数定义前面也能加上extern，但这种做法是可选的。
  • 具有外部链接属性的const变量
    • const关键字默认情况下具有内部链接属性，这使它不能在其它转换单元中使用。定义中使用extern可以重写这个属性。
    • 最好在头文件中定义常量。
• 内部名称：
  • 函数默认会有外部链接属性，当一个函数充当源文件中的辅助函数，应该具有内部链接属性而不是外部链接属性。
  • 第一种方式是添加intern修饰符，或者为一个名称（变量名或者函数名）添加static关键字。
  • 最为推荐的方式是使用未命名的名称空间。

2. 预处理源代码

• 所有预处理指令都由#号开头，以便与C++的语句区分开。
• 比较少见的几个预处理指令：
  • #line          重新定义当前行号，也可以用来修改文件名。
  • #error        输出编译错误，停止编译。
  • #pragma    提供某计算机专用的特性，同时保证与C++整体兼容。

3. 定义预处理宏

• #define  PI  3.1415926 
• C++建议的做法：
  • inline const double pi {3.1415926};      // 常量
  • extern const double pi {3.1415926};    // 定义为具有外部的链接属性
  • C++不使用#define指令定义标识符，这么做有三个缺点：不支持类型检查，没有考虑作用域，标识符名称不能限定在名称空间中。
• C++中#define的作用主要是管理头文件。
• 定义类似于函数的宏：
  • 宏函数看起来很像函数，但不是函数，没有实参，没有返回类型。
  • 宏函数常见的缺陷：需要注意括号的使用；宏函数参数展开可能是函数，数值可能不是期望的值。
  • C++的解决方案是函数模板。
• 预处理运算符：
  • #   字符串化运算符，将实参转为包含其值的字符串字面量，用双引号包围实参，并添加必要的转义字符。
  • ## 连接运算符，将两个标识符的值连接起来，类似于使用 + 将两个string对象的值连接起来。
• 取消宏定义：#undef

4. 包含头文件

• <> 和 " " 两种方式。
• 方式重复包含：
  • #ifndef     #define     #endif
  • #pragma once

5. 名称空间

• 使用名称空间避免命名冲突。
• 没有定义名称空间的代码都在全局名称空间中，在多个源文件中，具有链接属性的名称都在全局名称空间中。
• 定义名称空间：namespace myRegin {}
• 名称空间不能包含 main()
• 同名的名称空间会扩展名称空间的作用域。
• 名称空间若放在头文件中，#include保护符保证了这些定义不会在同一转换单元出现一次以上。但是不会阻止被包含到多个独立的转换单元，需要把成员都声明内联。这样就允许出现在多个转换单元中，不违反ODR。没有#include保护符时，也能使用extern代替inline。
• 应用using声明：using ns_name::identifier;
• 函数和名称空间：把函数原型放到名称空间中，定义时需要使用名称空间进行限定。
• 未命名的名称空间：
  • 只使用了namespace关键字，没用命名。编译器为其生成内部的名称，一个转换单元内只能有一个未命名空间，其他命名空间都是第一个的扩展。
  • 未命名空间不在全局名称空间，有内部链接属性，无外部链接属性。实际上是确保名称不在转换单元外部访问的一种方式，声明为static有相同的效果。
• 嵌套的名称空间：
  • 使用时需要增加多个名称空间的名字进行限定。
• 名称空间的别名：namespace AA = ABC::A::a;

6. 逻辑预处理指令

• #ifdef     #endif
• #if  (不包含强制类型转换的整数常量表达式)    #endif
• 代码选择：
  • #if  #else  #endif
  • #if  #elif  #else #endif
• 标准预处理宏：
  • __LINE__    __FILE__  __DATE__  __TIME__  __cplusplus__
• 检查是否包含头文件：
  • C++17中引入了__has_include()宏
  • #if __has_include(<header>)   #elif __has_include("Someheader.h")   #else  #endif

7. 调试方法

• 集成调试器
  • C++编译器提供了内置的调试工具。
  • 功能一般有：跟踪程序流，设置断点，设置观察窗口，检查程序元素。
• 预处理指令
  • 使用#ifdef SWITCH  #endif   设置代码开关。
• 随机数
  • 先调用srand()传递一个无符号的整数种子值，调用rand()得到随机数序列。
  • ctime中的time()返回秒数，作为随机数的一个参数。
• 使用assert()宏：（动态断言，运行时起作用）
  • assert(expression);表达式是false，程序终止，调用std::abort()，显示标准错误流，cerr中的信息。
  • 关闭assert()宏：程序开头定义#define  NDEBUG   需要放在包含assert头文件中的#include之前才会有效。

8. 静态断言

• static_assert(constant_expression);
• static_assert(constant_expression, error_message) 
  • 参数一：编译期间可以转为bool的语句，false时，编译失败，输出参数二的message。
  • 可以做参数一的语句：字面量，字面量初始化的const变量，宏，sizeof运算符，模板实参等。
• 常见用途是模板定义中验证模板参数：
  • static_assert(std::is_arithmetic_v<T>)；//判断T是否为算术类型。

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