ALLDev

Компоновка нескольких файлов в одну программу

Программа – это, прежде всего, текст на языке Си++. С помощью компилятора текст преобразуется в исполняемыйфайл – форму, позволяющую компьютеру выполнять программу.

Если мы рассмотрим этот процесс чуть более подробно, то выяснится, что обработка исходных файлов происходит в три этапа. Сначала файл обрабатывается препроцессором, который выполняет директивы #include, #define и еще несколько других. После этого программа все еще представлена в виде текстового файла, хотя и измененного по сравнению с первоначальным. Затем, на втором этапе, компилятор создает так называемый объектный файл. Программа уже переведена в машинные инструкции, однако еще не полностью готова к выполнению. В объектном файле имеются ссылки на различные системные функции и на стандартные функции языка Си++. Например, выполнение операции new заключается в вызове определенной системной функции. Даже если в программе явно не упомянута ни одна функция, необходим, по крайней мере, один вызов системной функции – завершение программы и освобождение всех принадлежащих ей ресурсов.

На третьем этапе компиляции к объектному файлу подсоединяются все функции на которые он ссылается. Функции тоже должны быть скомпилированы, т.е. переведены на машинный язык в форму объектных файлов. Этот процесс называется компоновкой , и как раз его результат и есть исполняемый файл.

Системные функции и стандартные функции языка Си++ заранее откомпилированы и хранятся в виде библиотек. Библиотека – это некий архив объектных модулей, с которым удобно компоновать программу.

Основная цель многоэтапной компиляции программ – возможность компоновать программу из многих файлов. Каждый файл представляет собой законченный фрагмент программы, который может ссылаться на функции, переменные или классы, определенные в других файлах. Компоновкаобъединяет фрагменты в одну "самодостаточную" программу, которая содержит все необходимое для выполнения.

Проблема использования общих функций и имен

В языке Си++ существует строгое правило, в соответствии с которым прежде чем использовать в программе имя или идентификатор, его необходимо определить. Рассмотрим для начала функции. Для того чтобы имя функции стало известно программе, его нужно либо объявить, либо определить.

Объявление функции состоит лишь из ее прототипа, т.е. имени, типа результата и списка аргументов. Объявление функции задает ее формат, но не определяет, как она выполняется. Примеры объявлений функций:

double sqrt(double x);// функция sqrt
long fact(long x); // функция fact 
 
// функция PrintBookAnnotation
void PrintBookAnnotation(const Book& book);

Определение функции – это определение того, как функция выполняется. Оно включает в себя тело функции, программу ее выполнения.

// функция вычисления факториала
// целого положительного числа
long fact(long x)
{
 if (x == 1)
 return 1;
 else
 return x * fact(x - 1);
}

Определение функции играет роль объявления ее имени, т.е. если в начале файла определена функция fact, в последующем тексте функций и классов ею можно пользоваться. Однако если в программе функция fact используется в нескольких файлах, такое построение программы уже не подходит. В программе должно быть только одно Определение функции.

Удобно было бы поместить Определение функции в отдельный файл, а в других файлах в начале помещать лишь объявление, прототип функции.

// начало файла main.cpp
long fact(long); // прототип функции
int main()
{
 . . .
 int x10 = fact(10); // вызов функции 
 . . .
}
// конец файла main.cpp
// начало файла fact.cpp
// определение функции 
// вычисления факториала целого 
// положительного числа
//
long fact(long x)
{
 if (x == 1)
 return 1;
 else
 return x * fact(x - 1);
}
// конец файла fact. cpp

Компоновщик объединит оба файла в одну программу.

Аналогичная ситуация существует и для классов. Любой класс в языке Си++ состоит из двух частей: объявления и определения. В объявлении класса говорится, каков интерфейс класса, какие методы и атрибуты составляют объекты этого класса. Объявление класса состоит из ключевого слова class, за которым следует имя класса, список наследования и затем в фигурных скобках - методы и атрибуты класса. Заканчивается объявление класса точкой с запятой.

class Book : public Item
{
public:
 Book();
 ~Book();
 String Title();
 String Author();
private:
 String title;
 String author;
};

Определение класса – это определение всех его методов.

// определение метода Title
String
Book::Title()
{
 return title;
}

Определение класса должно быть только одно, и если класс используется во многих файлах, его удобно поместить в отдельный файл. В остальных файлах для того, чтобы использовать классBook, например определить переменную класса Book, в начале файла необходимо поместить объявление класса.

Таким образом, в начале каждого файла будут сосредоточены прототипы всех используемых функций и объявления всех применяемых классов.

Программа работать будет, однако писать ее не очень удобно.

В начале каждого файла нам придется повторять довольно большие одинаковые куски текста. Помимо того, что это утомительно, очень легко допустить ошибку. Если по каким-то причинам потребуется изменить объявление класса, придется изменять все файлы, в которых он используется. Хотя возможно, что изменение никак не затрагивает интерфейс класса. Например, добавление нового внутреннего атрибута непосредственно не влияет на использование внешних методов и атрибутов этого класса.

Использование включаемых файлов

В языке Си++ реализовано удобное решение. Можно поместить объявления классов и функций в отдельный файл и включать этот файл в начало других файлов с помощью директивы #include.

#include "Book.h"
. . .
Book b;

Фактически директива   #include подставляет содержимое файла Book.h в текущий файл перед тем, как начать его компиляцию. Эта подстановка осуществляется во время первого прохода компилятора по программе – препроцессора. Файл Book.h называется файлом заголовков.

В такой же файл заголовков можно поместить прототипы функций и включать его в другие файлы, там, где функции используются.

Таким образом, текст программы на языке Си++ помещается в файлы двух типов – файлы заголовков и файлы программ. В большинстве случаев имеет смысл каждый класс помещать в отдельный файл, вернее, два файла – файл заголовков для объявления класса и файл программ для определения класса. Имя файла обычно состоит из имени класса. Для файла заголовков к нему добавляется окончание " .h " (иногда, особенно в системе Unix, " .hh " или " .H"). Имя файла программы – опять-таки имя класса с окончанием " .cpp " (иногда " .cc " или " .C ").

Объединять несколько классов в один файл стоит лишь в том случае, если они очень тесно связаны и один без другого не используется.

Включение файлов может быть вложенным, т.е. файл заголовков может сам использовать директиву #include. Файл Book.h выглядит следующим образом:

#ifndef __BOOK_H__
#define __BOOK_H__

// включить файл с объявлением используемого
// здесь базового класса
#include "Item.h"
#include "String.h" 
// объявление класса String

// объявление класса Book
class Book : public Item
{
public:
. . .
private:
 String title;
 . . . 
}; #endif

Обратите внимание на первые две и последнюю строки этого файла. Директива #ifndef начинает блок так называемой условной компиляции, который заканчивается директивой #endif. Блок условной компиляции – это кусок текста, который будет компилироваться, только если выполнено определенное условие. В данном случае условие заключается в том, что символ __BOOK_H__ не определен. Если этот символ определен, текст между #ifndef и #endif не будет включен в программу. Первой директивой в блоке условной компиляции стоит директива #define, который определяет символ __BOOK_H__ как пустую строку.

Давайте посмотрим, что произойдет, если в какой-либо .cpp -файл будет дважды включен файл Book.h:

#include "Book.h"
. . .
#include "Book.h"

Перед началом компиляции текст файла Book.h будет подставлен вместо директивы #include:

#ifndef __BOOK_H__
#define __BOOK_H__
. . .
class Book
{
. . .
};
#endif
. . .
#ifndef __BOOK_H__
#define __BOOK_H__
. . .
class Book
{
. . .
};
#endif

В самом начале символ __BOOK_H__ не определен, и блок условной компиляции обрабатывается. В нем определяется символ __BOOK_H__. Теперь условие для второго блока условной компиляции уже не выполняется, и он будет пропущен. Таким образом, объявление класса Book будет вставлено в файл только один раз. Разумеется, написание два раза подряд директивы #include с одинаковым аргументом легко поправить. Однако структура заголовков может быть очень сложной. Чтобы избежать необходимости отслеживать все вложенные заголовки и искать, почему какой-либо файл оказался вставленным дважды, можно применить изложенный выше прием и существенно упростить себе жизнь.

Еще одно замечание по составлению заголовков. Включайте в заголовок как можно меньше других заголовков. Например, в заголовок Book.h необходимо включить заголовки Item.h и String.h, поскольку класс Book использует их. Однако если используется лишь имя класса без упоминания его содержимого, можно обойтись и объявлением этого имени:

#include "Item.h"
#include "String.h"

class Annotation; 
// Annotation – имя некоего класса

class Book : public Item
{
public:
 Annotation* CreateAnnotation();
private:
 String title;
};

Объявление класса Item требуется знать целиком, для того, чтобы обработать объявление класса Book, т.е. компилятору надо знать все методы и атрибуты Item, чтобы включить их в классBook. Объявление класса String также необходимо знать целиком, по крайней мере, для того, чтобы правильно вычислить размер экземпляра класса Book. Что же касается класса Annotation, то ни размер его объектов, ни его методы не важны для определения содержимого объекта класса Book. Единственное, что надо знать, это то, что Annotation есть имя некоего класса, который будет определен в другом месте.

Общее правило таково, что если объявление класса использует указатель или ссылку на другой класс и не задействует никаких методов или атрибутов этого класса, достаточно объявления имени класса. Разумеется, полное объявление класса Annotation понадобится в определении метода CreateAnnotation.

Компилятор поставляется с набором файлов заголовков, которые описывают все стандартные функции и классы. При включении стандартных файлов обычно используют немного другой синтаксис:

#include <string.h>

Препроцессор
В языке Си++ имеется несколько директив, которые начинаются со знака #: #include, #define, #undef, #ifdef, #else, #if, #pragma. Все они обрабатываются так называемым препроцессором.
Иногда препроцессор называют макропроцессором, поскольку в нем определяются макросы. Директивы препроцессора начинаются со знака #, который должен быть первым символом в строке после пробелов.
Определение макросов
Форма директивы #define
#define имя определение
определяет макроимя. Везде, где в исходном файле встречается это имя, оно будет заменено его определением. Например, текст:
#define NAME "database"
Connect(NAME);
после препроцессора будет заменен на
Connect("database");
По умолчанию имя определяется как пустая строка, т.е. после директивы
#define XYZ
макроимя XYZ считается определенным со значением – пустой строкой.
Другая форма #define
#define имя ( список_имен ) определение
определяет макрос – текстовую подстановку с аргументами
#define max(X, Y) ((X > Y) ? X : Y)
Текст max(5, a) будет заменен на
((5 > a) ? 5 : a)
В большинстве случаев использование макросов (как с аргументами, так и без) в языке Си++ является признаком непродуманного дизайна. В языке Си макросы были действительно важны, и без них было сложно обойтись. В Си++ при наличии констант и шаблонов макросы не нужны. Макросы осуществляют текстовую подстановку, поэтому они в принципе не могут осуществлять никакого контроля использования типов. В отличие от них в шаблонах контроль типов полностью сохранен. Кроме того, возможности текстовой подстановки существенно меньше, чем возможности генерации шаблонов.
Директива #undef отменяет определение имени, после нее имя перестает быть определенным.
У препроцессора есть несколько макроимен, которые он определяет сам, их называют предопределенными именами. У разных компиляторов набор этих имен различен, но два определены всегда: __FILE__ и __LINE__. Значением макроимени __FILE__ является имя текущего исходного файла, заключенное в кавычки. Значением __LINE__ – номер текущей строки в файле. Эти макроимена часто используют для печати отладочной информации.
Условная компиляция
Исходный файл можно компилировать не целиком, а частями, используя директивы условной компиляции:
#if LEVEL > 3
текст1
#elif LEVEL > 1
текст2
#else
текст3
#endif
Предполагается, что LEVEL – это макроимя, поэтому выражение в директивах #if и #elif можно вычислить во время обработки исходного текста препроцессором.
Итак, если LEVEL больше 3, то компилироваться будет текст1, если LEVEL больше 1, то компилироваться будет текст2, в противном случае компилируется текст3. Блок условной компиляции должен завершаться директивой #endif.
В каком-то смысле директива #if похожа на условный оператор if. Однако, в отличие от него, условие – это константа, которая вычисляется на стадии препроцессора, и куски текста, не удовлетворяющие условию, просто игнорируются.
Директив #elif может быть несколько (либо вообще ни одной), директива #else также может быть опущена.
Директива   #ifdef – модификация условия компиляции. Условие считается выполненным, если указанное после нее макроимя определено. Соответственно, для директивы #ifndef условие выполнено, если имя не определено.
Дополнительные директивы препроцессора
Директива   #pragma используется для выдачи дополнительных указаний компилятору. Например, не выдавать предупреждений при компиляции, или вставить дополнительную информацию для отладчика. Конкретные возможности директивы #pragma у разных компиляторов различные.
Директива #error выдает сообщение и завершает компиляцию. Например, конструкция
#ifndef unix
#error "Программу можно компилировать
 только для Unix!"
#endif
выдаст сообщение и не даст откомпилировать исходный файл, если макроимя unix не определено.
Директива #line изменяет номер строки и имя файла, которые хранятся в предопределенных макроименах __LINE__ и __FILE__.
Кроме директив, у препроцессора есть одна операция ##, которая соединяет строки, например A ## B.