【停更】C++头文件开发：从入门到入土
本帖最后由 lihl 于 2024-2-23 11:47 编辑Hey，读者！
你是否为强大的PGP加密叹为观止？
你是否用着一串一串易语言代码编写而成的工具？
有千千万万的工具或多或少地使用了C（pp）语言的头文件进行开发！
本文就以简单的几个样例，让读者学会C++头文件的开发原理。
edit：坚持不下去了，不限期停更。
本活动参加 苦力怕论坛资源 X 教程寒假活动 ，并将文本部分授权给该活动。
特别提示：
[*]若无特殊说明，本文代码使用C++14标准。
[*]为何不使用C++20？C++14有auto关键字，C++17有namespace嵌套，C++20是什么垃圾。
[*]本文仅支持原版C++开发，如果想进阶请尝试boost库。
[*]本文仅代码部分开源，文本部分遵循CC BY-NC-SA 4.0协议进行授权。
[*]本文必须有C++学习基础（至少能理解链表，学习了STL）或者精通C。
[*]由于时间仓促，作者水平有限，无法保证十全十美，敬请勘误或联系作者进行修正。
[*]本文带*的篇目为选读，虽是正常篇目但难度极高。请挑选加粗字体着重记录。
语句速查索引：
语句作用 章节
#ifdef如果某变量被定义，执行下方语句 1
#ifndef如果某变量未被定义，执行下方语句 1
#endif结束#ifdef或#ifndef语句的声明1
#define定义预处理宏2.1.1
#undef取消预处理宏2.1.1
const修饰某变量或函数为常量2.1.2*
constexpr（C++11及以上特性）修饰某变量或函数为常量表达式2.1.2*
static修饰某变量或函数为静态2.1.2* (未详细涉及)
#if布尔判断，如果为true则执行下一步内容3.1
#else必须和#if配套使用，如前列if均未执行则执行else内内容3.1
#elif必须和#if配套使用，效果同#if3.1
喜报：
「每周好帖速递」第六辑 首次收录编程开发版即收录本文，可喜可贺！
更新日志：
2024/2/23 无限期停更
2024/2/4 完成第5页，对第6页进行更名并完成，更改标题“如土”
2024/2/3 完成第1~4页，修正define和undef的错误
恭喜！从这里开始，您即将就会学会自己动手编写一个头文件了！
我们可以从以下这个样例开始您的开发：
#ifndef firsthead
#define firsthead
#endif
好耶！你已经编写了一个名为“firsthead”的头文件。在学习之前，我们首先要下载一个C++编译器。
作者推荐使用Dev-C++进行编译。
当然，我们还是需要首先了解一下什么是头文件。
头文件是扩展名为 .h 的文件，包含了 C 函数声明和宏定义，被多个源文件中引用共享。有两种类型的头文件：程序员编写的头文件和编译器自带的头文件。
在程序中要使用头文件，需要使用 C 预处理指令 #include 来引用它。前面我们已经看过 stdio.h 头文件，它是编译器自带的头文件。
引用头文件相当于复制头文件的内容，但是我们不会直接在源文件中复制头文件的内容，因为这么做很容易出错，特别在程序是由多个源文件组成的时候。
A simple practice in C 或 C++ 程序中，建议把所有的常量、宏、系统全局变量和函数原型写在头文件中，在需要的时候随时引用这些头文件。
*引用自菜鸟教程https://www.runoob.com/cprogramming/c-header-files.html
用人话来说，就是后缀为.h的文件，可以被你使用的C或C++代码引用。
还不能理解？看看你写的代码吧！
#include<bits/stdc++.h> //<--- 这就是头文件引用，引用的是头文件 stdc++.h，位于bits目录
using namespace std;
int main(){
return 0;
}这段代码里，被引用的是bits目录里的编译器定义的stdc++.h头。
是的，这节我们就只讲一个特殊用法，那就是#include<>和#include""的区别。
简单来说就是：<>用于编译器定义，""用于自定义。我们的样例引用时，都需要用""。
不要说你不想用""，如果不想，可以放到编译器目录下面。
我没有尝试过，后果自负。
你已经认识了什么是.h类型的文件，那就让我们正式地步入学习编写头文件的教程吧。
这节我们学习的是简单运用。
首先认识下#ifdef和#ifndef吧。
当我们定义一个（#define，参见2.1）布尔变量 flag 时，特性为：
#ifdef flag--> 可以执行下一步内容
#ifndef flag--> 不可执行下一步内容，因为flag被定义
可以简单地看到，#ifdef只能判断变量是否被定义，不能判断值。如果被定义，便执行内部内容。#ifndef则相反，如果没有被定义才可执行内部内容。
它们执行的，是关于if关键字的内容。
从以下一个示例，可以获得更详细的内容。读下面的代码，回答k的值。
#define k 32
#ifndef k
#define k 233
#endif
当执行以上内容时，代码不会报错，因为 k 被定义后判断 k 是否定义返回 false，因此什么都不会执行，k=32.
让我们略加改动，将源代码的第二行改为#ifdef k 时...
哦吼，报错了。显示“ "k" redefined”（即 k 被重复定义）
所以，让我们删去第一行。。。
#ifdef k
#define k 233
#endif欸，又可以运行了。
等等，观察上面的一些代码，发现了什么？——#endif！
endif的作用，是结束以上的ifdef或者ifndef。
就像你学习过的 if 关键字一样，if(n)def就相当于" if{ "这部分，需要endif来充当一个" } " 以形成一个闭环。
范例请见上文。
这节我们开始学习宏（常量）的运用。
在学习之前，我们再次重申一下头文件的作用，即——
头文件仅用于声明函数和定义宏！
诶嘿，了解就好。为什么要这样呢？因为我们可以编写一套程序：
/*
Filename:test.h
*/
#include<bits/stdc++.h>
int ItIsAVeryImportantVariableWhichNameIs_a=233;
#include<bits/stdc++.h>
#include"test.h"
using namespace std;
/*
一长串未知用途的代码...
*/
#include"test.h"
int main(){
return 0;
}哦吼，又报错了。这次显示 redefinition of “ 这里省略变量名 ”（意思是重复定义）。
因此，我们需要上一节需要的#ifndef进行判断定义进行头文件保护。这时，我们就用到了——#define！
define的作用是定义一个预处理宏。这里，我们就可以嵌套一层#ifndef了。
用法很简单： #define 宏名称
所以，我们可以对头文件稍加修改，养成一个写头文件即写以下结构的好习惯：
/*
先写代码协议和声明！
*/
#ifndef ________
#define ________
/*
再写你的代码！
*/
#endif欸，等等。
观察一个关系：
#ifndef和#ifdef有#endif收尾。
那#define有什么收尾呢？
认识一下#undef吧。
有的时候，写代码的我们有可能都很懒，想重复使用我们之前已经定义好的宏（例如最大数据范围都使用MAX，最小数据范围都使用MIN等），所以我们需要undef掉我们定义的宏，一方面可以使代码更具有可读性，另一方面是我们真的就不想用了\__（ツ）__/
用法也很简单：#undef 宏名称
例如下面这个随机数生成器：
// Filename:limit.h
#ifdef _max
#define limitmax 11
#endif
#ifdef _min
#define limitmin 0
#endif
#ifdef _num
#define limitnum 10
#endif#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main() {
def:
std::default_random_engine random;
int range_min,range_max,range_num;
i_min:
printf("左闭右闭区间，range_min: ");
scanf("%d",&range_min);
#define _min
#include"limit.h"
#undef _min
if(range_min<limitmin){
printf("太小了！小于设定区间%d。\n",limitmin);
goto i_min;
}
i_max:
printf("左闭右闭区间，range_max: ");
scanf("%d",&range_max);
#define _max
#include"limit.h"
#undef _max
if(range_max>limitmax){
printf("太大了！大于设定区间%d。\n",limitmax);
goto i_max;
}
setrandom:
std::uniform_int_distribution<int> range(range_min,range_max);
random.seed(time(0));
i_range:
printf("生成个数：");
scanf("%d",&range_num);
#define _num
#include"limit.h"
#undef _num
if(range_num>limitnum){
printf("太多了！多于设定区间%d。\n",limitnum);
goto i_range;
}
o:
for (int i=1; i<=range_num; i++) {
cout << range(random) << endl;
}
return 0;
}在limit.h中，我们定义了多个极限，并在文件二的示例中得到了使用。undef的作用，在这里是使代码更美观。
这样，我们就了解并学会了undef的作用。
这一扩展节，我们主要探讨宏在常量方面与const(expr)的区别和作用，以及在大型竞赛中使用的技巧。
上一节中，我们已经学习过了关于define在宏方面的作用。这节我们就来探讨define在常量方面和const(expr)碰撞出的火花。
如果你是OIer，你肯定学过一句话，就是：定义常量用const而并非define，用define会在编译方面出现奇奇怪怪的问题。
我的理解是，千万不要在平时的C++程序（特别是在大型竞赛中）中把define当常量，一定要使用const(expr)，因为你不是开发者，你并不知道你这么定义一个宏会发生什么奇怪的错误。
如果你在头文件里头使用常量，我的建议是把const(expr)当作修饰函数或者变量的修饰符而并非常量，你可以把const理解为只读不可修改的变量。define才是真真正正的常量。
以上内容均个人理解。下面我们将要学习什么是常量，什么是常量表达式，以及在定义常量时我应该选择什么。
首先我们要理解什么是常量。常量与变量相对而言，变量是随时可变的一类未知数，如x；而常量不可变，是人为规定的一类已知数。当然，在数学中，大部分常量都是无理数。在编程中也一样，我们可以定义一个int x变量，也可以定义一个const int y。这里的y，就被我们声明了是一个常量。
再说常量表达式。一是变量方面：在C++11标准加入了constexpr。const（编译期常量 或者 运行期常量）含括了constexpr（编译期常量）。我推荐使用constexpr声明变量的原因是，当你声明一个constexpr变量时，他会自动变为const。
可以用下表来解释const和constexpr的关系：
级别/例子静态常量非静态常量普通
0-声明(static) constexpr//
1-类型(const) 类型(const) 类型/
2-名称 名称 [ 如果是函数，嵌套定义(_____)]名称 [ 如果是函数，嵌套定义(_____)]名称 [ 如果是函数，嵌套定义(_____)]
我们可以把constexpr理解为声明层的常量声明，而把const理解为类型层的常量声明。当声明了constexpr可以选择声明const。
因此，变量的命名顺序并不是const constexpr xxx而是constexpr const xxx。
听上面是不是非常复杂？其实是这样的：
很久以前...
1:我们要开发一个常量类型，定义了就不能改了，叫什么名字呢？
2:const(ant)
2011年：
1:我们又开发了一个常量类型，在编译器里他就是一个常量了，它又叫什么名字？
2:嘶... const(ant) expr(ession)
前面我们已经说到了常量表达式。那么，constexpr的命名就是一个望文知义。expression是表达式，这不就是常量表达式吗？
正确的。那么，什么是常量表达式呢？
曾经，我在学编程的时候，恰好有一个问题，就是：
如果我有一个数据范围为1e13：
为什么我必须定义一个const long long MAX = 1e13 再赋值long long a，
而不是直接就赋值long long a呢？
编译器给我一个不能赋值浮点数打消了我的顾虑。
但我没有注意到的问题时，曾几何时，第一种方式竟然也不能赋值。
原因是，C++中的数组赋值必须为一个常量表达式。现在的编译器，优化了这个问题。我们可以通过constexpr声明一个常量表达式，这样就可以通过 包括constexpr声明的函数 的表达式 声明一个数组了。
为什么要使用C++14标准？因为constexpr声明过的函数，在C++11可以递归，在C++14可以像正常的函数一样用局部参数、用逻辑分支。*
因此，在C++11中推出的constexpr，既解决了const只读和常量的语义问题，又解决了多年来赋值常量表达式张冠李戴的问题，是近几年来比较优秀的C++版本。
再次鞭尸C++20，C++20是什么垃圾。
话又又说回来，什么是常量表达式？常量表达式就是能在编译时求值的表达式。C++的类型分为两种，一种是变量（字面值），一种是常量表达式。**
你现在应该养成把const理解为read only的习惯，把constexpr理解为真正的const的习惯了。
C++11中，constexpr函数默认等于了inline constexpr，并且constexpr声明的函数必须有且只有一条return语句。（Note：C++14改为正常函数形式，可见上文*）
并且由于是隐式的内联函数，在引用*中constexpr甚至跑出了比const快5.1044倍的运行速度。
C(pp)中还有指针的特性。在样例**中的特性介绍中，我们可以看到以下样例代码：
const int *p1=nullptr; //p1是指向整形常量的指针
constexpr int *p2=nullptr; //p2是指向整形的常量指针
(等效于 int *const p2=nullptr;)
这样，我们可以再次理解：
const是类型，constexpr是声明。
可以理解吗？那就让我们进入下一节的学习吧。
*这里是知乎的这个回答
**这里是CSDN的关于常量表达式的一篇文章
这节我们主要针对 某特定编译器（IDE）和某特定系统的某些特性做浅显讨论，并且基本了解其宏。
看起来很难是不是？你可以参考预处理编译器宏Wiki的表格以了解系统宏。
什么？你问我为什么没有表格？咳咳，那是因为我的表格不全...
Stackoverflow上也有一个实例：
#if defined(WIN32) || defined(_WIN32) || defined(__WIN32__) || defined(__NT__)
// 32位或64位windows
#ifdef _WIN64
//只是64位Windows
#else
//32位windows
#endif
#elif __APPLE__
#include <TargetConditionals.h>
#if TARGET_IPHONE_SIMULATOR
// iOS, tvOS, or watchOS Simulator
#elif TARGET_OS_MACCATALYST
// Mac's Catalyst (ports iOS API into Mac, like UIKit).
#elif TARGET_OS_IPHONE
// iOS, tvOS, or watchOS device
#elif TARGET_OS_MAC
// Other kinds of Apple platforms
#else
# error "未知苹果系统"
#endif
#elif __ANDROID__
// __linux__虽然也可以在android上使用
// 但不能唯一标示出Android.
#elif __linux__
// linux
#elif __unix__
// Unix
#elif defined(_POSIX_VERSION)
// POSIX
#else
# error "未知编译器"
#endif这部分内容我们就告一段落，接下来我们来了解(仅C++)namespace和namespace嵌套。
namespace大家可能比较熟悉，最常见的还是std命名空间的引用：<using namespace std; >.
什么？你不知道std？那就回去看看 一、文件格式 中的第二行吧。
什么？你还不知道？那请你读一读开头的特别提示。
好棒的教程 florence2357 发表于 2024-1-29 09:12
好棒的教程
其实不然，最近没太多时间更新
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