15-2 类与头文件
迄今为止我们编写的类都足够简单，能够直接在类定义内部实现成员函数。例如，下面这个简单的Date类中，所有成员函数都在Date类的定义内部定义：
#include <iostream>
class Date
{
private:
int m_year{};
int m_month{};
int m_day{};
public:
Date(int year, int month, int day)
: m_year { year }
, m_month { month }
, m_day { day}
{
}
void print() const { std::cout << "Date(" << m_year << ", " << m_month << ", " << m_day << ")\n"; }
int getYear() const { return m_year; }
int getMonth() const { return m_month; }
int getDay() const { return m_day; }
};
int main()
{
Date d { 2015, 10, 14 };
d.print();
return 0;
}
然而，随着类变得越来越长且复杂，将所有成员函数定义都放在类内部会使类更难管理和使用。使用一个已编写的类只需理解其公共接口（即公共成员函数），而无需了解类的底层工作原理。成员函数的实现会用与实际使用类无关的细节充斥公共接口。
为解决此问题，C++允许我们将类的“声明”部分与“实现”部分分离——通过在类定义外部定义成员函数。
下文展示了与前文相同的Date类，其构造函数和print()成员函数均定义在类定义之外。需注意这些成员函数的原型仍保留在类定义内（因其作为类类型定义的组成部分必须声明），但实际实现已移至外部：
#include <iostream>
class Date
{
private:
int m_year{};
int m_month{};
int m_day{};
public:
Date(int year, int month, int day); // constructor declaration
void print() const; // print function declaration
int getYear() const { return m_year; }
int getMonth() const { return m_month; }
int getDay() const { return m_day; }
};
Date::Date(int year, int month, int day) // constructor definition
: m_year{ year }
, m_month{ month }
, m_day{ day }
{
}
void Date::print() const // print function definition
{
std::cout << "Date(" << m_year << ", " << m_month << ", " << m_day << ")\n";
};
int main()
{
const Date d{ 2015, 10, 14 };
d.print();
return 0;
}
成员函数可以像非成员函数一样在类定义外部定义。唯一的区别在于，我们必须在成员函数名前添加类型的名称（本例中为 Date::），以便编译器知道我们定义的是该类型的成员函数而非非成员函数。
请注意访问函数仍保留在类定义内部。由于访问函数通常仅有一行代码，将其定义在类内部几乎不增加冗余，而移出类定义则会导致大量额外代码行。因此访问函数（及其他简单的一行函数）的定义常保留在类定义内部。
将类定义放入头文件
若在源文件（.cpp）内部定义类，该类仅限于该源文件内使用。在大型程序中，我们通常需要在多个源文件中使用自定义类。
在第2.11课——头文件中，你已了解到函数声明可放入头文件。随后可通过#include将这些函数声明引入多个代码文件（甚至多个项目）。类定义同样适用此法：将类定义置于头文件中，即可通过#include引入至任何需要使用该类型的文件。
与仅需前向声明即可使用的函数不同，编译器通常需要看到类的完整定义（或任何程序定义类型的完整定义），才能使用该类型。这是因为编译器需要理解成员声明方式以确保正确使用，同时需要计算该类型对象的大小才能进行实例化。因此我们的头文件通常包含类的完整定义，而非仅有类的前向声明。
为类头文件和代码文件命名
通常，类会在与类同名的头文件中定义，而任何在类外部定义的成员函数则放在与类同名的.cpp文件中。
以下是我们Date类的示例，已拆分为.cpp和.h文件：
Date.h:
#ifndef DATE_H
#define DATE_H
class Date
{
private:
int m_year{};
int m_month{};
int m_day{};
public:
Date(int year, int month, int day);
void print() const;
int getYear() const { return m_year; }
int getMonth() const { return m_month; }
int getDay() const { return m_day; }
};
#endif
Date.cpp:
#include "Date.h"
Date::Date(int year, int month, int day) // constructor definition
: m_year{ year }
, m_month{ month }
, m_day{ day }
{
}
void Date::print() const // print function definition
{
std::cout << "Date(" << m_year << ", " << m_month << ", " << m_day << ")\n";
};
现在，任何其他想要使用 Date 类的头文件或代码文件都可以简单地#include“Date.h”。请注意，Date.cpp 还需要编译到任何使用 Date.h 的项目中，以便链接器可以将对成员函数的调用连接到其定义。
最佳实践:
建议将类定义放在与类同名的头文件中。非实质性成员函数（如访问函数、空体构造函数等）可直接在类定义内部定义。建议将非实质性成员函数定义在与类同名的源文件中。
在头文件中定义类是否会违反单定义规则？如果该头文件被多次包含的话。
类型不受单定义规则（ODR）中“每个程序只能有一个定义”部分的限制。因此，将类定义包含到多个翻译单元中并不存在问题。若存在此限制，类将失去实用价值。
在单个翻译单元中重复包含类定义仍会违反ODR规则。不过，头文件保护机制（或#pragma once指令）能有效防止这种情况发生。
内联成员函数
成员函数同样受单定义规则约束，因此您可能疑惑：当成员函数定义在头文件中（该头文件可能被多个翻译单元包含）时，如何避免违反单定义规则？
在类定义内部定义的成员函数默认具有内联属性。内联函数不受单定义规则中“每个程序仅允许一个定义”部分的约束。
在类定义外部定义的成员函数不具有默认内联属性（因此受单定义规则约束）。这正是此类函数通常定义在代码文件中的原因（在整个程序中仅存在一个定义）。
另一种方案是：若将类外部定义的成员函数标记为内联（使用inline关键字），则可保留在头文件中。以下是修改后的Date.h头文件，其中类外部定义的成员函数均标记为inline：
Date.h:
#ifndef DATE_H
#define DATE_H
#include <iostream>
class Date
{
private:
int m_year{};
int m_month{};
int m_day{};
public:
Date(int year, int month, int day);
void print() const;
int getYear() const { return m_year; }
int getMonth() const { return m_month; }
int getDay() const { return m_day; }
};
inline Date::Date(int year, int month, int day) // now inline
: m_year{ year }
, m_month{ month }
, m_day{ day }
{
}
inline void Date::print() const // now inline
{
std::cout << "Date(" << m_year << ", " << m_month << ", " << m_day << ")\n";
};
#endif
此 Date.h 可以毫无问题地包含到多个翻译单元中。
关键见解：
类定义中定义的函数是隐式内联的，这允许它们被 #include 到多个代码文件中，而不会违反 ODR。在类定义之外定义的函数不是隐式内联的。可以使用 inline 关键字将它们内联。
成员函数的内联展开
编译器必须能够看到函数的完整定义才能执行内联展开。通常此类函数（如访问函数）定义在类定义内部。但若需在类定义外部定义成员函数，同时仍希望其具备内联展开资格，可将其作为内联函数定义在类定义正下方（位于同一头文件中）。如此便能使该函数的定义对所有包含该头文件的程序可见。
那么为什么不把所有内容都放在头文件里呢？
你可能会想把所有成员函数定义都放在头文件里，要么放在类定义内部，要么作为内联函数放在类定义下方。虽然这样能编译通过，但存在几个弊端。
首先，如前所述，在类定义内部定义成员会使类定义变得杂乱无章。
其次，若修改头文件中的任何代码，所有包含该头文件的文件都需重新编译。这可能引发连锁反应——一个微小改动导致整个程序需要重新编译。重新编译的成本差异巨大：小型项目可能只需一分钟甚至更短时间，而大型商业项目则可能耗时数小时。
相反地，若修改.cpp文件中的代码，仅需重新编译该文件。因此在可选情况下，通常应将非简单代码置于.cpp文件中。
在某些特殊场景下，打破“类定义置于头文件、非简单成员函数置于代码文件”的最佳实践可能合理：
首先，对于仅在单个代码文件中使用且不作通用复用的微型类，可直接在使用该类的.cpp文件中定义类本体及所有成员函数。此举能明确该类仅限于单文件内部使用，不作广泛复用。若后续发现需在多个文件中使用该类，或觉得类定义与成员函数定义使源文件过于杂乱，随时可将类移至独立的头文件/代码文件中。
其次，若类仅包含少量不太可能变更的非平凡成员函数，创建仅含一两个定义的.cpp文件可能得不偿失（因其会增加项目杂乱度）。此类情况下，更优方案是将成员函数声明为inline，并置于头文件的类定义下方。
第三，现代C++中，类或库正日益采用“仅头文件”模式分发，即所有代码均置于头文件中。此设计主要为简化文件分发与使用流程——头文件仅需通过#include包含，而代码文件则需显式添加至每个使用项目中才能编译。若刻意创建头文件类库用于分发，所有非平凡成员函数均可内联并置于头文件的类定义下方。
最后需注意：对于模板类，定义在类外部的模板成员函数几乎总是在头文件中、类定义下方进行定义。与非成员模板函数相同，编译器需要看到完整的模板定义才能进行实例化。模板成员函数将在第15.5课——带成员函数的类模板中详细讲解。
作者注：
后续课程中，多数类将定义于单个.cpp文件中，所有函数直接在类定义内实现。此举旨在保持示例简洁且便于读者自行编译。实际项目中，类通常分别存放于代码文件和头文件中，建议读者逐步适应这种规范。
成员函数的默认参数
在第 11.5 课——默认参数中，我们讨论了非成员函数默认参数的最佳实践：“如果函数有前向声明（尤其是头文件中的声明），则将默认参数放在那里。否则，将默认参数放在函数定义中。”
由于成员函数始终被声明（或定义）为类定义的一部分，因此成员函数的最佳实践实际上更简单：始终将默认参数放在类定义中。
最佳实践:
将成员函数的任何默认参数放在类定义中。
库文件
在编程过程中，你使用了标准库中的类，例如std::string。要使用这些类，只需包含相应的头文件（如#include
头文件提供了编译器验证程序语法正确性所需的声明。然而，C++标准库中类实现的具体代码被封装在预编译文件中，该文件会在链接阶段自动关联。你永远不会看到这些代码。
许多开源软件包同时提供.h和.cpp文件供您编译使用。但大多数商业库仅提供.h文件和预编译库文件。这种做法有几个原因：1）链接预编译库比每次使用时重新编译更快；2）单份预编译库可供多个应用程序共享，而编译后的代码会被编译进每个使用它的可执行文件（导致文件体积膨胀）；3）知识产权考量（防止他人窃取代码）。
附录中将探讨如何将第三方预编译库纳入项目。
虽然短期内您可能不会创建并分发自有库，但将类拆分为头文件和源文件不仅符合规范，更能为后续创建自定义库奠定基础。本教程虽不涉及库创建，但若需分发预编译二进制文件，声明与实现的分离实为必要前提。
问题 #1
感谢读者“learnccp 课程复习者”提供这些测验题。
在类定义外部定义成员函数的目的是什么？
a) 使类定义更简洁且易于管理。
b) 将公共接口与实现细节分离。
c) 当定义在源文件中时，可最大限度减少实现细节变更时的重新编译时间。
d) 以上皆是。
显示答案
d) 以上全部。
如何在类定义外部定义成员函数？
a) 直接将函数定义为普通函数，不添加类前缀。
b) 使用作用域解析运算符（::）在函数前添加类名。
c) 在类定义内部声明函数，外部使用friend关键字进行定义。
d) 以上皆非。
显示答案
b) 使用作用域解析运算符（::）在函数前添加类名作为前缀来定义该函数。
何时应在类定义内部定义简单成员函数？
a) 始终如此，以提升性能。
b) 当函数仅含一行代码时。
c) 当函数被频繁调用时。
d) 不建议在类定义内部定义任何成员函数。
显示答案
b) 当函数仅包含一行代码时。
为便于在多个文件或项目中复用，类定义应放置于何处？
a) 与类同名的.cpp文件中
b) 与类同名的独立头文件中
c) 包含该头文件的.cpp文件中
d) 代码任意位置（只要函数在类外部定义即可）
显示答案
b) 在与类同名的单独头文件中。
关于类与成员函数的单定义规则，下列哪项陈述正确？
a) 该规则禁止在头文件中定义类。
b) 允许在同一文件中多次包含类定义。
c) 类定义内部定义的成员函数不受单定义规则约束。
d) 非平凡成员函数应始终在头文件中定义。
显示答案
c). 在类定义内部定义的成员函数默认具有内联特性，因此不受单定义规则的限制。
浙公网安备 33010602011771号