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C++头文件和std命名空间(精辟)

C++ 是在C语言的基础上开发的,早期的 C++ 还不完善,不支持命名空间,没有自己的编译器,而是将 C++ 代码翻译成C代码,再通过C编译器完成编译。这个时候的 C++ 仍然在使用C语言的库,stdio.h、stdlib.h、string.h 等头文件依然有效;此外 C++ 也开发了一些新的库,增加了自己的头文件,例如:
  • iostream.h:用于控制台输入输出头文件。
  • fstream.h:用于文件操作的头文件。
  • complex.h:用于复数计算的头文件。

和C语言一样,C++ 头文件仍然以.h为后缀,它们所包含的类、函数、宏等都是全局范围的。

后来 C++ 引入了命名空间的概念,计划重新编写库,将类、函数、宏等都统一纳入一个命名空间,这个命名空间的名字就是std。std 是 standard 的缩写,意思是“标准命名空间”。

但是这时已经有很多用老式 C++ 开发的程序了,它们的代码中并没有使用命名空间,直接修改原来的库会带来一个很严重的后果:程序员会因为不愿花费大量时间修改老式代码而极力反抗,拒绝使用新标准的 C++ 代码。

C++ 开发人员想了一个好办法,保留原来的库和头文件,它们在 C++ 中可以继续使用,然后再把原来的库复制一份,在此基础上稍加修改,把类、函数、宏等纳入命名空间 std 下,就成了新版 C++ 标准库。这样共存在了两份功能相似的库,使用了老式 C++ 的程序可以继续使用原来的库,新开发的程序可以使用新版的 C++ 库。

为了避免头文件重名,新版 C++ 库也对头文件的命名做了调整,去掉了后缀.h,所以老式 C++ 的iostream.h变成了iostreamfstream.h变成了fstream。而对于原来C语言的头文件,也采用同样的方法,但在每个名字前还要添加一个c字母,所以C语言的stdio.h变成了cstdiostdlib.h变成了cstdlib

需要注意的是,旧的 C++ 头文件是官方所反对使用的,已明确提出不再支持,但旧的C头文件仍然可以使用,以保持对C的兼容性。实际上,编译器开发商不会停止对客户现有软件提供支持,可以预计,旧的 C++ 头文件在未来数年内还是会被支持。

下面是我总结的 C++ 头文件的现状:
1) 旧的 C++ 头文件,如 iostream.h、fstream.h 等将会继续被支持,尽管它们不在官方标准中。这些头文件的内容不在命名空间 std 中。

2) 新的 C++ 头文件,如 iostream、fstream 等包含的基本功能和对应的旧版头文件相似,但头文件的内容在命名空间 std 中。
注意:在标准化的过程中,库中有些部分的细节被修改了,所以旧的头文件和新的头文件不一定完全对应。
3) 标准C头文件如 stdio.h、stdlib.h 等继续被支持。头文件的内容不在 std 中。

4) 具有C库功能的新C++头文件具有如 cstdio、cstdlib 这样的名字。它们提供的内容和相应的旧的C头文件相同,只是内容在 std 中。

可以发现,对于不带.h的头文件,所有的符号都位于命名空间 std 中,使用时需要声明命名空间 std;对于带.h的头文件,没有使用任何命名空间,所有符号都位于全局作用域。这也是 C++ 标准所规定的。

不过现实情况和 C++ 标准所期望的有些不同,对于原来C语言的头文件,即使按照 C++ 的方式来使用,即#include <cstdio>这种形式,那么符号可以位于命名空间 std 中,也可以位于全局范围中,请看下面的两段代码。

1) 使用命名空间 std:
#include <cstdio>
int main(){
    std::printf("http://c.biancheng.net\n");
    return 0;
}

2) 不使用命名空间 std:
#include <cstdio>
int main(){
    printf("http://c.biancheng.net\n");
    return 0;
}
这两种形式在 Microsoft Visual C++ 和 GCC 下都能够编译通过,也就是说,大部分编译器在实现时并没有严格遵循C++标准,它们对两种写法都支持,程序员可以使用 std 也可以不使用。

第 1) 种写法是标准的,第 2) 种不标准,虽然它们在目前的编译器中都没有错误,但我依然推荐使用第 1) 种写法,因为标准写法会一直被编译器支持,非标准写法可能会在以后的升级版本中不再支持。

使用C++的头文件

虽然 C++ 几乎完全兼容C语言,C语言的头文件在 C++ 中依然被支持,但 C++ 新增的库更加强大和灵活,请读者尽量使用这些 C++ 新增的头文件,例如 iostream、fstream、string 等。

前面几节我们使用了C语言的格式输出函数 printf,引入了C语言的头文件 stdio.h,将C代码和 C++ 代码混合在了一起,我不推荐这样做,请尽量使用 C++ 的方式。下面的例子演示了如何使用 C++ 库进行输入输出:
#include <iostream>
#include <string>

int main(){
    //声明命名空间std
    using namespace std;
   
    //定义字符串变量
    string str;
    //定义 int 变量
    int age;
    //从控制台获取用户输入
    cin>>str>>age;
    //将数据输出到控制台
    cout<<str<<"已经成立"<<age<<"年了!"<<endl;

    return 0;
}
运行结果:
C语言中文网↙
6↙
C语言中文网已经成立6年了!

string 是 C++ 中的字符串类,初学者可以将 string 看做一种内置的数据类型,就像 int、float 等,可以用来定义变量。cin 用于从控制台获取用户输入,cout 用于将数据输出到控制台,下节我们会详细讲解。

读者暂时不需要深入了解这段代码的细节,只需要留意using namespace std;,它声明了命名空间 std,后续如果有未指定命名空间的符号,那么默认使用 std,代码中的 string、cin、cout 都位于命名空间 std。

在 main() 函数中声明命名空间 std,它的作用范围就位于 main() 函数内部,如果在其他函数中又用到了 std,就需要重新声明,请看下面的例子:
#include <iostream>

void func(){
    //必须重新声明
    using namespace std;
    cout<<"http://c.biancheng.net"<<endl;
}

int main(){
    //声明命名空间std
    using namespace std;
   
    cout<<"C语言中文网"<<endl;
    func();

    return 0;
}
如果希望在所有函数中都使用命名空间 std,可以将它声明在全局范围中,例如:
#include <iostream>

//声明命名空间std
using namespace std;

void func(){
    cout<<"http://c.biancheng.net"<<endl;
}

int main(){
    cout<<"C语言中文网"<<endl;
    func();

    return 0;
}
很多教程中都是这样做的,将 std 直接声明在所有函数外部,这样虽然使用方便,但在中大型项目开发中是不被推荐的,这样做增加了命名冲突的风险,我推荐在函数内部声明 std。

不过为了方便,本教程还是忍不住违反了原则,后面有很多代码都在全局范围内声明了 std。

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