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C++防止头文件被重复引入的3种方法(详解版)

防止C语言头文件被重复包含》一节中,详细介绍了 C 语言中如何使用宏定义(#ifndef / #define / #endif)来有效避免头文件被重复 #include,此方式在 C++ 多文件编程中也很常用。

举个例子,如下是一个 C++ 项目,其内部含有 school.h 和 student.h 这 2 个头文件以及 main.cpp 源文件,其各自包含的代码为:
//student.h
class Student {
    //......
};

//school.h
#include "student.h"
class School {
    //......
private:
    Student stu[50];
};

//main.cpp
#include "student.h"
#include "school.h"
int main() {
    //......
    return 0;
}
运行此项目读者会发现,编译器报“Student 类型重定义”错误。这是因为在 school.h 文件中已经 #include 了一次 "student.h",而在 main.cpp 主程序又同时 #include 了 "school.h" 和 "student.h",即 Student 类的定义被引入了 2 次,C++不允许同一个类被重复定义。

有读者可能想到,既然 School.h 文件中已经引入了 Student 类,那去掉 main.cpp 主程序引入的 student.h 文件不就可以了吗?这样确实可以避免重复引入 Student 类,但此方式并不适用于所有“重复引入”的场景。

C++ 多文件编程中,处理“多次 #include 导致重复引入”问题的方式有以下 3 种。

1) 使用宏定义避免重复引入

在实际多文件开发中,我们往往使用如下的宏定义来避免发生重复引入:
#ifndef _NAME_H
#define _NAME_H
//头文件内容
#endif
其中,_NAME_H 是宏的名称。需要注意的是,这里设置的宏名必须是独一无二的,不要和项目中其他宏的名称相同。

当程序中第一次 #include 该文件时,由于 _NAME_H 尚未定义,所以会定义 _NAME_H 并执行“头文件内容”部分的代码;当发生多次 #include 时,因为前面已经定义了 _NAME_H,所以不会再重复执行“头文件内容”部分的代码。

也就是说,我们可以将前面项目中的 student.h 文件做如下修改:
#ifndef _STUDENT_H
#define _STUDENT_H
class Student {
    //......
};
#endif
虽然该项目 main.cpp 文件中仍 #include 了 2 次 "student.h",但鉴于 _STUDENT_H 宏只能定义一次,所以 Student 类也仅会定义一次。再次执行该项目会发现,其可以正常执行。

2) 使用#pragma once避免重复引入

除了前面第一种最常用的方式之外,还可以使用 #pragma one 指令,将其附加到指定文件的最开头位置,则该文件就只会被 #include 一次。

我们知道,#ifndef 是通过定义独一无二的宏来避免重复引入的,这意味着每次引入头文件都要进行识别,所以效率不高。但考虑到 C 和 C++ 都支持宏定义,所以项目中使用 #ifndef 规避可能出现的“头文件重复引入”问题,不会影响项目的可移植性。

和 ifndef 相比,#pragma once 不涉及宏定义,当编译器遇到它时就会立刻知道当前文件只引入一次,所以效率很高。但值得一提的是,并不是每个版本的编译器都能识别 #pragma once 指令,一些较老版本的编译器就不支持该指令(执行时会发出警告,但编译会继续进行),即 #pragma once 指令的兼容性不是很好。

目前,几乎所有常见的编译器都支持 #pragma once 指令,甚至于 Visual Studio 2017 新建头文件时就会自带该指令。可以这么说,在 C/C++ 中,#pragma once 是一个非标准但却逐渐被很多编译器支持的指令。

除此之外,#pragma once 只能作用于某个具体的文件,而无法向 #ifndef 那样仅作用于指定的一段代码。

这里仍以前面的 "student.h" 文件为例,将其内容修改为:
#pragma once
class Student {
    //......
};
再次运行项目,同样可以正常执行。

3) 使用_Pragma操作符

C99 标准中新增加了一个和 #pragma 指令类似的 _Pragma 操作符,其可以看做是 #pragma 的增强版,不仅可以实现 #pragma 所有的功能,更重要的是,_Pragma 还能和宏搭配使用。

有关 _Pragma 操作符更多的功能和用法,本节不做详细讲解,这里仅介绍如何用 _Pragma 操作符避免头文件重复引入。

当处理头文件重复引入问题时,可以将如下语句添加到相应文件的开头:

_Pragma("once")

比如,将该语句添加到前面项目中 student.h 文件中的开头位置,再次执行项目,其可以正常执行。

事实上,无论是 C 语言还是 C++,为防止用户重复引入系统库文件,几乎所有库文件中都采用了以上 3 种结构中的一种,这也是为什么重复引入系统库文件编译器也不会报错的原因。

总结

本节介绍了 3 种避免头文件被重复引入的方法,其中 #pragma once 和 _Pragma("once") 可算作一类,其特点是编译效率高,但可移植性差(编译器不支持,会发出警告,但不会中断程序的执行);而 #ifndef 的特点是可移植性高,编译效率差。读者可根据实际情况,挑选最符合实际需要的解决方案。

除非对项目的编译效率有严格的要求,强烈推荐读者选用第一种解决方案,即采用 #ifndef / #define / #endif 组合解决头文件被重复引入。

另外在某些场景中,考虑到编译效率和可移植性,#pragma once 和 #ifndef 经常被结合使用来避免头文件被重复引入。比如说:
#pragma once
#ifndef _STUDENT_H
#define _STUDENT_H
class Student {
    //......
};
#endif
当编译器可以识别 #pragma once 时,则整个文件仅被编译一次;反之,即便编译器不识别 #pragma once 指令,此时仍有 #ifndef 在发挥作用。

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