头文件中是否包含函数定义？

Question

在C/C++中，函数定义是放在头文件中还是只有声明？ 以math.h中的pow()函数为例。如果函数的定义不在头文件中，那么头文件中包含什么内容才能正确链接函数定义呢？

- shivansh gautam

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这取决于——使用C++ Boost库，其中许多函数被实现为“仅头文件”代码；它们不需要单独的实现。在C语言中，在头文件中定义static inline函数是有意义的。 - Jonathan Leffler

这取决于——使用C++ Boost库，其中许多都被实现为“仅头文件”的代码；它们不需要单独的实现。在C中，在头文件中定义static inline函数是有意义的。 - Jonathan Leffler

这取决于——使用C++ Boost库，其中许多函数被实现为“仅头文件”代码；它们不需要单独的实现。在C语言中，在头文件中定义static inline函数是有意义的。 - undefined

对于某些编译器来说，这并不会自动发生，你需要手动链接适当的库。例如，在gcc上，你需要添加-lm来链接数学库。 - George

提醒：头文件中不需要包含函数定义或声明的要求。 - Thomas Matthews

Answer 1

简短回答：取决于情况。

详细回答：取决于情况。

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首先：什么是函数定义？

在C++中，函数既可以被声明，也可以被定义。

一个被声明的函数看起来像这样：

// <cmath>

namespace std {
    double pow(double base, double exp);
}

一个明确定义的样子是这样的：

#include <cmath>

double std::pow(double base, double exp) {
    // Do stuff...
}

不同之处在于定义的函数具有代码块（用花括号{...}表示）。因此，声明和定义的区别在于定义包含了函数的底层代码，而声明则没有任何代码。

但是假设只是声明，编译器如何知道函数的位置呢？

通常情况下，C++被编译为不同的“翻译单元”（即文件）。每个翻译单元都包括一个公共头文件（这里是<cmath>），该头文件提供了其函数的声明（这里是::std::pow）。

其中一个单元还包含::std::pow的定义。当这些单元（以目标文件或库的形式）由链接器放在一起时，对函数的所有使用都将调用在定义它的单元中的适当代码。如果未链接定义函数的单元，则链接器将报错。

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请注意，只能有一个定义。如果多个单元都有自己的::std::pow的定义，链接器会因为多个定义而报错。

然而，这个“一次定义规则”并不是普遍适用的，它有以下几个例外：

1. 内联函数（由inline存储类说明符指定），可以在多个单元中定义，但最终只保留一个定义。这也包括constexpr和consteval（立即）函数，它们都隐式地是内联函数。
2. 静态函数（由static存储类说明符指定），它们是局部于其所在的翻译单元的；即使它们具有相同的标识符，也不会与其他单元中的符号冲突。

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但是::std::pow的情况实际上相当复杂。通常情况下，它会被外部定义。然而，从C++26开始，它必须是一个constexpr函数，所有这些函数都是内联的根据定义（参见cppreference）。

标准库中的许多其他函数也是如此。其中许多函数是在外部定义的（在另一个翻译单元中，例如::std::exit），但也有许多函数在其各自的头文件中定义（例如::std::is_constant_evaluated）。在其他情况下，外部函数在后续的标准版本中变成了内联函数（就像::std::pow的情况一样）。

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总结一下，::std::pow 可能在 <cmath> 头文件中定义... 也可能不是。这取决于实现和标准的版本。

但一般情况是，是的，函数是在声明它们的头文件之外定义的（在另一个翻译单元中）。

- epsiloneridani

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你可能想讨论静态函数的定义或声明。 - Thomas Matthews

你可能想讨论静态函数的定义或声明。 - Thomas Matthews

你可能想讨论静态函数的定义或声明。 - undefined

@ThomasMatthews 好主意！会做的。 - epsiloneridani

@ThomasMatthews 好主意！会做的。 - epsiloneridani

Answer 2

头文件只是被预处理器包含到编译单元中的源文件。从技术上讲，它们可以包含任何C或C++代码，但在实践中，它们用于在编译单元之间公开定义/声明，同时隐藏实现细节。

在C中，您不能对同一个外部对象/函数有两个定义，因此头文件通常只包含函数声明或变量定义。

在C++中，存在类似的规则：单一定义规则。但是有一些例外，例如模板定义、类成员定义和带有"inline"说明符的函数。但是它们的定义必须在所有的编译单元中保持一致，否则行为是未定义的。

对于"pow"函数，程序可以访问它，因为默认情况下编译器链接了libc库。

- Dorian