C/C++ 头文件和实现文件：它们是如何工作的？

Question

这是可能一个愚蠢的问题，但我已经在这里和网上搜索了很长一段时间，但无法找到明确的答案（我的尽职调查谷歌搜索）。

所以我是编程新手...我的问题是，主函数如何知道不同文件中的函数定义（实现）？

例如。假设我有 3 个文件

• main.cpp
• myfunction.cpp
• myfunction.hpp

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//main.cpp

#include "myfunction.hpp"
int main() {
  int A = myfunction( 12 );
  ...
}

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//myfunction.cpp

#include "myfunction.hpp"
int myfunction( int x ) {
  return x * x;
}

-

//myfunction.hpp

int myfunction( int x );

-

我知道预处理器是如何包含头代码的，但是头和主函数是如何知道函数定义存在的，更不用说利用它了？

如果这不是很清楚，或者我对某些事情有很大的误解，我深表歉意，这里是新的

Answer 1

1.原理

当你写作时：

int A = myfunction(12);

这被翻译成：

int A = @call(myfunction, 12);

其中@call 可以看作是字典查找。如果您考虑字典类比，您当然可以在知道它的定义之前知道一个词 (smogashboard ？)。您所需要的只是，在运行时，定义在字典中。

2.关于 ABI 的一点

这个 @call 是如何工作的？因为 ABI。 ABI 是一种描述许多事物的方式，其中包括如何执行对给定函数的调用（取决于其参数）。调用合约很简单：它只是说明可以找到每个函数参数的位置（有些在处理器的寄存器中，有些在堆栈中）。

因此，@call 实际上是这样做的：

@push 12, reg0
@invoke myfunction

并且函数定义知道它的第一个参数（x）位于reg0。

3.但我认为字典是用于动态语言的？

在某种程度上，你是对的。动态语言通常使用散列表来实现，用于动态填充的符号查找。

对于 C++，编译器会将翻译单元（粗略地说，预处理的源文件）转换为对象（一般为.o 或.obj）。每个对象都包含一个它引用但定义未知的符号表：

.undefined
[0]: myfunction

然后链接器会将对象组合在一起并协调符号。此时有两种符号：

• 在库中，可以通过偏移量引用（最终地址仍未知）
• 那些在库之外，其地址在运行时之前完全未知。

两者都可以用同样的方式处理。

.dynamic
[0]: myfunction at <undefined-address>

然后代码将引用查找条目：

@invoke .dynamic[0]

当库被加载时（例如DLL_Open），运行时最终会知道符号在内存中的映射位置，并用真实地址覆盖<undefined-address>（对于本次运行)。

Answer 2

您必须了解，从用户的角度来看，编译是一个两步操作。

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第一步：对象编译

在此步骤中，您的 *.c 文件被单独编译成单独的目标文件。这意味着当main.cpp 被编译时，它对你的myfunction.cpp 一无所知。他唯一知道的是您声明具有此签名的函数：int myfunction( int x ) 存在于另一个目标文件中。

编译器将保留此调用的引用并将其直接包含在目标文件中。目标文件将包含一个“我必须用 an int 调用 myfunction，它会用 an int 返回给我。它保留一个索引所有extern 电话，以便之后能够与其他人联系。

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第二步：链接

在此步骤中，linker 将查看目标文件的所有索引，并尝试解决这些文件中的依赖关系。如果没有，你会得到著名的undefined symbol XXX。然后，他会将这些引用转换为结果文件中的实际内存地址：二进制文件或库。

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然后，您可以开始问，如何使用像 Office 套件这样具有大量方法和对象的巨大程序来做到这一点？好吧，他们使用shared library 机制。您可以通过 Unix/Windows 工作站上的“.dll”和/或“.so”文件了解它们。它允许将未定义符号的求解推迟到程序运行为止。

它甚至可以通过dl* 函数按需解决未定义的符号。

Answer 3

当您编译程序时，预处理器会将每个头文件的源代码添加到包含它的文件中。编译器编译 EVERY .cpp 文件。结果是多个.obj 文件。
之后是链接器。链接器获取所有.obj 文件，从您的主文件开始，每当它找到没有定义的引用（例如变量、函数或类）时，它会尝试在编译阶段创建的其他.obj 文件中找到相应的定义或在链接阶段开始时提供给链接器。
现在回答您的问题：每个.cpp 文件都被编译成一个包含机器代码指令的.obj 文件。当您包含.hpp 文件并使用在另一个.cpp 文件中定义的某个函数时，在链接阶段，链接器会在相应的.obj 文件中查找该函数定义。它就是这样找到它的。

Answer 4

预处理器将头文件的内容包含在cpp文件中（cpp文件称为翻译单元）。 编译代码时，会分别检查每个翻译单元的语义和句法错误。不考虑跨翻译单元的函数定义的存在。编译后生成.obj文件。

在下一步链接 obj 文件时。搜索使用的函数（类的成员函数）的定义并进行链接。如果未找到该函数，则会引发链接器错误。

在您的示例中，如果函数未在 myfunction.cpp 中定义，编译仍会继续进行，没有问题。链接步骤会报错。

Answer 5

正如 Matthieu M. 的评论中所建议的，链接器工作是在正确的位置找到正确的“功能”。编译步骤大致是：

1. 为每个 cpp 文件调用编译器并将其转换为 带有符号表的目标文件（二进制代码） 函数名称（名称在 C++ 中被修改）到它们在 目标文件。
2. 链接器只被调用一次：其中的每个目标文件 范围。它将从一个对象解析函数调用位置 感谢符号表。一个 main() 函数必须 存在于某处。最终生成一个二进制可执行文件 当链接器找到它需要的一切时。

Answer 6

头文件声明函数/类 - 即在编译 .cpp 文件时告诉编译器哪些函数/类可用。

.cpp 文件定义了这些函数 - 即编译器编译代码并因此生成实际的机器代码来执行相应.hpp 文件中声明的那些操作。

在您的示例中，main.cpp 包含一个 .hpp 文件。预处理器将#include 替换为.hpp 文件的内容。该文件告诉编译器函数myfunction在别处定义，它接受一个参数（int）并返回int。

因此，当您将main.cpp 编译成目标文件（.o 扩展名）时，它会在该文件中注明它需要函数myfunction。当您将myfunction.cpp 编译成一个目标文件时，该目标文件中有一个注释，它具有myfunction 的定义。

然后，当您将两个目标文件链接到一个可执行文件中时，链接器会将结果绑定在一起 - 即 main.o 使用 myfunction，如 myfunction.o 中定义的那样。

希望对你有帮助

Answer 7

int myfunction(int); 是函数原型。你用它声明函数，这样编译器就知道你在写myfunction(0);时调用了这个函数。

而header 和 main 函数怎么知道函数定义存在？
嗯，这是Linker的工作。