C++std命名空间和头文件详解

一个中大型软件往往由多名程序员共同开发,会使用大量的变量和函数,不可避免地会出现变量或函数的命名冲突。当所有人的代码都测试通过,没有问题时,将它们结合到一起就有可能会出现命名冲突。

例如小李和小韩都参与了一个文件管理系统的开发,它们都定义了一个全局变量 fp,用来指明当前打开的文件,将他们的代码整合在一起编译时,很明显编译器会提示 fp 重复定义(Redefinition)错误。

为了解决合作开发时的命名冲突问题,cpp引入了命名空间(Namespace)的概念。请看下面的例子:

namespace Li{  //小李的变量定义FILE fp = NULL;
}
namespace Han{  //小韩的变量定义FILE fp = NULL
}
小李与小韩各自定义了以自己姓氏为名的命名空间,此时再将他们的 fp 变量放在一起编译就不会有任何问题。

namespace 是C++中的关键字,用来定义一个命名空间,语法格式为:

namespace name{//variables, functions, classes
}

name是命名空间的名字,它里面可以包含变量、函数、类、typedef、#define 等,最后由{ }包围。

使用变量、函数时要指明它们所在的命名空间。以上面的 fp 变量为例,可以这样来使用:

Li::fp = fopen("one.txt", "r"); //使用小李定义的变量 fp
Han::fp = fopen("two.txt", "rb+"); //使用小韩定义的变量 fp

::是一个新符号,称为域解析操作符,在C++中用来指明要使用的命名空间。

除了直接使用域解析操作符,还可以采用 using关键字声明,例如:

using Li::fp;
fp = fopen("one.txt", "r"); //使用小李定义的变量 fp
Han :: fp = fopen("two.txt", "rb+"); //使用小韩定义的变量 fp

在代码的开头用using声明了 Li::fp,它的意思是,using 声明以后的程序中如果出现了未指明命名空间的 fp,就使用 Li::fp;但是若要使用小韩定义的 fp,仍然需要 Han::fp。

using 声明不仅可以针对命名空间中的一个变量,也可以用于声明整个命名空间,例如:

using namespace Li;
fp = fopen("one.txt", "r");  //使用小李定义的变量 fp
Han::fp = fopen("two.txt", "rb+");  //使用小韩定义的变量 fp

 

如果命名空间 Li 中还定义了其他的变量,那么同样具有 fp 变量的效果。在 using 声明后,如果有未具体指定命名空间的变量产生了命名冲突,那么默认采用命名空间 Li 中的变量。

命名空间内部不仅可以声明或定义变量,对于其它能在命名空间以外声明或定义的名称,同样也都能在命名空间内部进行声明或定义,例如类、函数、typedef、#define 等都可以出现在命名空间中。

站在编译和链接的角度,代码中出现的变量名、函数名、类名等都是一种符号(Symbol)。有的符号可以指代一个内存位置,例如变量名、函数名;有的符号仅仅是一个新的名称,例如 typedef 定义的类型别名。

下面来看一个命名空间完整示例代码:

#include <stdio.h>//将类定义在命名空间中
namespace Diy{class Student{public:char *name;int age;float score;public:void say(){printf("%s的年龄是 %d,成绩是 %f\n", name, age, score);}};
}int main(){Diy::Student stu1;stu1.name = "小明";stu1.age = 15;stu1.score = 92.5f;stu1.say();return 0;
}
运行结果:

小明的年龄是 15,成绩是 92.500000

 

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 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。

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stdusing 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;
}

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stdusing namespace std;cout<<"C语言"<<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"<<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。

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