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認真說起來，頭文件（Header File）是個短命的家伙——就整個編譯過程來說，它的壽命是最短的。
為什么這么說呢？關于頭文件的話題，討論起來那可是“孩子沒娘，說來話長了”，既然是閑聊、你也不
是等著這篇文章救命，那就不妨從頭開始說起——先假設讀者們都是不了解編譯基本過程的初學者。

一個編譯（Compilation）過程通常至少分為三個階段：預編譯（Precompiling）、編譯（Make）和鏈接
（Linking）。他們就像一個流水線一環套一環——前一工序的輸出是后一工序的輸入。這本沒有什么稀奇的，
但對于程序員來說，這個過程中有幾個基本常識是需要記住的：

1. C語言編譯的基本單位（Compilation Unit）是 C源文件（而并沒有頭文件）
2. 同一個工程中，不同C源文件的編譯是彼此獨立的（毫不相干的）
3. 頭文件在預編譯階段就已經合并到對應的C源文件中了，和所有的宏以及條件編譯一樣，到了編譯階段，所有的頭文件、宏都是不存在的，已經被替換為對應的內容和常量了。

理解這三點，基本上已經可以解決很多我們日常編碼過程中存在的很多疑問，比如：

- Q1：為什么不能C語言頭文件里面定義變量或者函數的實體？
- Q2：為什么有的時候宏的先后順序并不那么重要？
- Q3：為什么可以在源代碼的任意位置（另起一行后）定義宏，甚至是include別的頭文件？

推薦大家基于前面的三個事實自己思考，答案在附錄中介紹。

頭文件里可以放什么呢？這是個值得討論的問題：

-  各類宏
-  函數的聲明（也就是 extern xxxxx）
-  全局變量的聲明（也就是 extern xxxx）
然而，值得說明的是，這里有一個編碼規則值得你去遵守：頭文件里堅決不要放全局變量有關的任何東西（硬要加，也必須是const類型的，比如各類接口）。
-  類型定義（typedef, struct,union 之類的）
-  static 的變量實體和函數實體。
這個可以有，為啥呢？因為即便多個c源文件包含同一個頭文件導致同樣的函數和變量實體存在多份，但
static 的另外一個名字 "private" 可以保證每一份變量和函數實體都是彼此獨立的，都是每個c源代碼的
私人財產——你可以有，我也可以有。“哎？你也有啊，真巧哎，我也有……”
-  inline 的函數
這個和static是一個道理。

頭文件里面不能放函數的實體，想必原因大部分人都知道了，這里就不再贅述。但頭文件里不放（非const）的全局變量的聲明，
這怎么玩？這里需要說明一下，頭文件里不是不能放（非const）的全局變量聲明，而是我提供了一個人為的規定（規范），建議
不要放任何（非const）的全局變量到頭文件里，具體原因和解決方案，我們在別的帖子里再討論（其實有人討論過，大約就是，
如何避免使用全局變量）——是的，避免使用（非const）的全局變量是可以做到的——這里也不再贅述。說了這么多廢話，我們
真正要討論的內容還沒有開始：

- 如何建立頭文件的使用規則，使其即靈活、使用方便，又靈活且便于擴展（模塊化）——符合面向接口開發的要求，方便我們
建立黑盒子？
簡而言之，
- 如何讓頭文件的使用不再頭疼；永遠告別循環包含；方便代碼的移植？

   首先，思考一個簡單的問題？為什么我們要用頭文件？答案其實很簡單，因為每個.c文件都是獨立編譯的，因此需要在源代碼
級別傳遞一些信息，類似一群人在嘮嗑：

源代碼A：          我定義了一個函數，你們哥幾個要用么？
源代碼B和源代碼C：我們要用啊，函數原型（prototype）什么樣子啊？
源代碼A：             你們不用費腦經記（抄下來），我都寫好了，放在一個頭文件里了，你們直接include就可以了。
源代碼B和源代碼C：這個敢情方便。那你頭文件放哪里了？
源代碼A：             有兩種方式，要么你直接到我這里來拿（指定路徑）；要么你找編譯器問（編譯器指定搜索路徑）。
源代碼D：             你們整這么麻煩做什么？你直接告訴我原型，我抄下來，不就不用問這個問那個，還包含文件什么的，真麻煩。
源代碼A：             D啊，你老想耍小聰明，萬一我更新了你不知道怎么辦？我有義務告訴你么？并沒有。
源代碼B和源代碼C：是啊，是啊，A以后估計要外包了，不在這里了，到時候有變化，都記錄在頭文件里，你本地放一個，沒法
                                    及時同步的。
源代碼D：          我不聽！我不聽！我不聽……

是不是很有畫面感？拋開捂著耳朵的D，我們回到討論的話題——既然頭文件是用來交換信息的，那么如果把所有的信息都放在一起，大家
需要的時候各取所需，豈不美哉？——基于這種思想，幾乎所有人都見過把所有變量、函數、宏、類型定義都放到一個叫做system.h的頭文件
里的做法。你有這么做過么？不要不好意思，幾乎所有人都這么做過——因為實在太方便了，世界大同，挺好，直到你嘗試和別人一起合作開發
系統，并試圖在不同項目間復用一些代碼的時候：

“何首烏藤和木蓮藤纏絡著”……對于這種情況，我們叫做耦合。“是要找個時間來理一理了”，你對自己說，然后長嘆了一口氣，發現這句話其
實很早之前就說過了。想到還有更奇葩的循環包涵的問題，你不得不感嘆，頭文件真的是個頭疼的東西——要不我們還是不用了吧？直接抄下來
貌似更簡單啊——源程序D癡癡的笑了。

那么，如何解決這個問題呢？其實，從實踐經驗來看，頭文件的用途分為兩大類：

站在C源文件的視角上：

- 從外部向C源文件內部輸入配置信息——我們把這類頭文件叫做配置頭文件(Configuration HeaderFile)。
  需要強調的是，信息的流動方向是從外向內，所以又可以簡單的理解為輸入性的頭文件（Header File for information input）。常見的app_cfg.h
  就是典型的配置頭文件。

- 從 C源文件內部向外輸出接口信息（全局函數、類型，宏定義等信息）——我們把這類頭文件叫做接口頭文件（Interface Header File）。
  需要強調的是，信息的流動方向是從內向外，所以又可以簡單的理解為輸出性的頭文件（Header File for information output）。常見的, spi.h
  usart.h, device.h, stdint.h 就是典型的接口頭文件。

輸入和輸出兩個不同的職能如果被放在同一個頭文件里，就有極大的風險產生循環包含（兩個相反方向的箭頭產生閉合的圓圈）。system.h實際
上就是一個混淆信息流動方向的例子。這就是本質上依賴system.h的工程模塊不好拆分的原因。根據上述原理，這里引入頭文件使用的第一條原則：

對一個C源代碼來說，站在它的視角上，隸屬于它自己的接口頭文件（Output）和配置頭文件（Input）永遠不要同時包含（include）在當前
的C源文件中。

2019-6-15 22:45 上傳

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