函数声明与函数定义

函数声明与函数定义

概念

函数声明

• 作用：告诉编译器函数的名称、返回类型、参数类型及（可选的）参数名，以便在调用处进行类型检查、布局调用约定等。

• 位置：通常放在头文件（.h）或源文件顶部。

• 语法：

返回类型 函数名(参数类型1 参数名1, 参数类型2 参数名2, …);

• 示例：

// math_utils.h
int add(int a, int b);
double power(double base, int exp);

函数定义

• 作用：给出函数的具体实现，包括函数体（大括号 {} 内的语句）。

• 位置：通常放在源文件（.cpp）中；如果函数体很短，也可以在头文件中（常用于 inline 函数）。

• 语法：

  返回类型 函数名(参数列表) {
      // 函数体：具体执行语句
  }
  

• 示例：

  // math_utils.cpp
  #include "math_utils.h"
    
  int add(int a, int b) {
      return a + b;
  }
    
  double power(double base, int exp) {
      double result = 1.0;
      for (int i = 0; i < exp; ++i) {
          result *= base;
      }
      return result;
  }
  

区别和联系

	函数声明	函数定义
是否包含实现	否，只有函数签名	是，包含完整的函数体
编译器作用	提供接口信息，检查调用合法性	生成可执行代码
出现次数	同一个函数可声明多次，但通常不超过几次	每个函数只能定义一次（否则链接错误）
放置位置	头文件（或源文件顶部）	源文件（或头文件内的 inline 定义）

为什么要有函数声明

1. 允许先调用后定义

C++ 是 编译型语言，编译器从上到下顺序处理代码。如果在函数定义之前就使用了它（即先调用后定义），没有提前声明会导致编译错误。

示例：

#include <iostream>

int main() {
    int result = add(3, 4); // 错误：此时编译器不知道 add 是什么
    std::cout << result << std::endl;
    return 0;
}

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

正确写法（有函数声明）：

#include <iostream>

int add(int a, int b); // 函数声明

int main() {
    int result = add(3, 4); // 编译器已经知道 add 的签名
    std::cout << result << std::endl;
    return 0;
}

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

2. 支持多文件编程（模块化开发）

当把函数定义放在一个 .cpp 文件中，另一个文件想要用这个函数，就需要通过声明（通常放在 .h 文件中）来共享接口。

示例结构：

math_utils.h       // 函数声明
math_utils.cpp     // 函数定义
main.cpp           // 函数调用

math_utils.h：

#ifndef MATH_UTILS_H
#define MATH_UTILS_H

int add(int a, int b);

#endif

math_utils.cpp：

#include "math_utils.h"

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

main.cpp：

#include <iostream>
#include "math_utils.h"

int main() {
    std::cout << add(1, 2) << std::endl;
    return 0;
}

3. 函数声明实现接口与实现分离

头文件中的函数声明可以被别人引用，而实现隐藏在 .cpp 中，有利于：

• 信息封装
• 编译依赖减小
• 团队协作更清晰

4. 支持递归函数或相互调用函数

比如函数 A 调用 B，B 又调用 A，这时就必须有声明：

void A(); // 声明 A

void B() {
    A(); // 可以调用 A，因为已经声明
}

void A() {
    B();
}

为什么导个头文件就能使用到定义

#include "math_utils.h" 看起来像是引入了 .cpp 文件里的函数，但实际上，它并不是直接“使用 cpp 文件”，而是通过函数声明 + 链接过程来实现跨文件调用的。这是 C++ 编译机制的核心之一。

1. C++ 编译的本质：“编译 + 链接” 两阶段

C++ 编译流程通常如下：

每个 .cpp 文件 --> 独立编译成 .obj / .o 文件（目标文件）
       ↓
        所有目标文件和库 --> 链接器（Linker）组合为最终可执行文件

2. 头文件（.h）的作用：提供声明（接口）

当在 main.cpp 里写：

#include "math_utils.h"

引入了函数的声明，告诉编译器：

“有一个叫 add(int, int) 的函数，返回 int，你先相信我，它确实存在。”

这允许编译器通过类型检查并成功生成目标文件 main.o。

3. .cpp 文件的作用：提供定义（实现）

然后 math_utils.cpp 中真正写了这个函数：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

这段代码单独被编译成 math_utils.o，包含了 add() 函数的机器码实现。

4. 链接阶段：把引用和实现对上号

最后，链接器（linker）将：

• main.o 中对 add() 的未解析引用
• 和 math_utils.o 中 add() 的实现

匹配起来，完成程序的拼装。

5. 总结

角色	作用	举例
math_utils.h	说：“add 这个函数存在，参数是啥”	提供声明给 main.cpp 用
math_utils.cpp	真正定义了这个函数是怎么做加法的	提供函数体给链接器找定义
#include	只是复制头文件的内容进当前文件	相当于把声明粘贴进来了
编译器	负责翻译语法，生成目标代码	把 .cpp 文件编成 .o 文件
链接器	把“你调用了什么”对上“我实现了什么”	组合目标文件生成程序

为什么不 #include "math_utils.cpp"

也可以这样做：

#include "math_utils.cpp"  // 不推荐！

但这是极不推荐的做法：

• 会造成多重定义（多个 .cpp 都包含的话）
• 无法实现编译单元分离（每个 .cpp 独立编译失效）
• 会降低编译效率和模块化结构

#include 用于头文件（声明），.cpp 文件应独立编译，不被直接包含。

为什么不能把函数定义写在头文件里

示例（ 错误用法）：

// math_utils.h
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

如果这样写，并在多个 .cpp 文件里都 #include "math_utils.h"，会得到：

❌ “multiple definition of add” 链接错误

原因：

• 每个 .cpp 文件都包含了一份完整函数定义
• 编译器会分别把它编译进每个 .o 文件
• 链接时多个定义冲突

什么时候可以在头文件里写函数定义

1. 使用 inline（内联函数）

// math_utils.h
inline int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

inline 表示编译器可以将函数体复制到调用点，避免函数调用开销，并允许多个 .cpp 中包含而不报错。

适合写短小函数（getter/setter、工具函数）。

2. 使用 static（内部链接）

// math_utils.h
static int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

static 表示这个函数对当前编译单元（.cpp 文件）私有，不参与链接。

这样每个 .cpp 文件都有一个自己的 add() 副本，不冲突。但一般不推荐滥用。

extern 的用法：跨文件共享变量/函数

extern 告诉编译器：“这个变量/函数定义在别处，我只是来用一下的”。

示例：

// math_utils.h
extern int global_count;

void addOne();

// math_utils.cpp
#include "math_utils.h"
int global_count = 0;  // 变量定义
void addOne() {
    ++global_count;
}

// main.cpp
#include "math_utils.h"
int main() {
    addOne();
    std::cout << global_count << std::endl;
}

• extern 是 声明
• int global_count = 0; 是 定义
• 只有一处定义，任意处声明