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C语言模块化编程

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所谓模块化编程，就是指一个程序包含多个源文件（.c 文件和 .h 文件），每个 .c 文件可以被称为一个模块。

本章将会带你了解多文件编程，教你学会如果有效的组织各个文件，如何将各个文件联系起来。

在讲解 extern 和 static 关键字的时候，我们已经给出了几个简单的多文件编程的例子，现在不妨再看一个例子。

main.c 源码：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <conio.h>
 3 // 也可以不写 extern；为了程序可读性，建议写上
 4 extern long sum(int, int);
 5 // 必须写 extern
 6 extern char* OS;
 7 int main()
 8 {
 9     int n1 = 1, n2 = 100;
10     printf("从%d加到%d的和为%ld [By %s]", n1, n2, sum(n1, n2), OS);
11     getch();
12     return 0;
13 }

module.c 源码：

 1 #include <stdio.h>
 2 // 当前操作系统
 3 char *OS = "Windows 7";
 4 long sum(int fromNum, int endNum)
 5 {
 6     int i;
 7     long result = 0;
 8 // 参数不符合规则，返回 -1
 9     if(fromNum<0 || endNum<0 || endNum<fromNum)
10     {
11         return -1;
12     }
13     for(i=fromNum; i<=endNum; i++)
14     {
15         result += i;
16     }
17 // 返回大于等于0的值
18     return result;
19 }

运行结果：
从1加到100的和为5050 [By Windows 7]

这个程序，我们按照“编译 --> 链接 --> 运行”的步骤来生成，不要按 F5 或者 F7（对于 Visual C++）直接生成 exe。如果已经生成，可以清理掉相关文件。

注意：一个程序有且只能有一个 main() 函数，即使它有多个源文件。main() 函数是程序的入口函数，双击运行程序时就从这里开始执行。

编译和链接的原理

对于C，首先要把源文件编译（Compile）成目标文件（Object File），也就是Windows下的 .obj 文件。然后再把单个或多个 Object File 合并成可执行文件，也就是Windows下是 .exe 文件，这个动作叫作链接（Link）。

编译时，编译器需要检查语法是否正确，函数、变量的声明是否正确；只有函数、变量的声明但没有定义是完全正确的。函数声明是告诉编译器该函数已经存在，但是入口地址还未确定，暂时在此做个标记，链接时编译器会找到函数入口地址，并将标记替换掉。

这些都校验通过，编译器就可以编译出中间目标文件。一般来说，编译是针对单个源文件的，多个源文件需要编译多次，每个源文件都会生成一个对应的目标文件。

编译产生的 .obj 文件已经是二进制文件，与 .exe 的组织形式类似，只是有些函数的入口地址还未找到，程序不能执行。链接的作用就是找到函数入口地址，将所有的源文件组织成一个可以执行的二进制文件。

链接时，主要是链接函数和全局变量。链接器并不管函数或变量所在的源文件，只管中间目标文件（Object File）。

总结一下：源文件首先会生成中间目标文件，再由中间目标文件生成可执行文件。在编译时，编译器只检测程序语法、函数声明、变量声明是否正确。如果函数未被声明，编译器会给出一个警告，但可以生成Object File。而在链接程序时，链接器会在所有的Object File中找寻函数的实现，如果找不到，那到就会报链接错误码（Linker Error），在VC下，这种错误一般是 Link 2001 错误，意思就是说，链接器未能找到函数的实现。你需要指定函数的Object File。

一步一步生成 exe 文件

知道了编译链接的原理，接下来我们使用VC一步步的生成 .exe 文件。

首先切换到 main.c 面板，按下 Ctrl+F7 键（编译），打开项目目录下的 Release 或 Debug 文件夹，可以看到多出了一个 main.obj 文件，这就是 main.c 生成的目标文件。

再切换到 module.c 面板，进行同样的操作，会生成 module.obj 文件，至此编译完毕（所有的源文件都编译过了）。

最后，按下 F7 键（链接），就生成了 main.exe，双击运行就可以看到上面的输出结果了。

2. C语言模块化编程中的头文件

上节我们编写了 main.c 和 module.c 两个源文件，并在 module.c 中定义了一个函数和一个全局变量，然后在 main.c 中进行了声明。

不过实际开发中很少这样做，一般是将函数和变量的声明放到头文件，再在当前的源文件中 #include 进来。而且，全局变量最好声明为 static，只在当前文件中可见，不要对外暴露；如果必须对外暴露，可以使用宏定义代替，请看下面的代码。

main.c 源码：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <conio.h>
 3 #include "module.h"
 4 int main()
 5 {
 6     int n1 = 1, n2 = 100;
 7     printf("从%d加到%d的和为%ld [By %s]", n1, n2, sum(n1, n2), OS);
 8     getch();
 9     return 0;
10 }

module.c 源码：

 1 #include <stdio.h>
 2 long sum(int fromNum, int endNum)
 3 {
 4     int i;
 5     long result = 0;
 6 // 参数不符合规则，返回 -1
 7     if(fromNum<0 || endNum<0 || endNum<fromNum)
 8     {
 9         return -1;
10     }
11     for(i=fromNum; i<=endNum; i++)
12     {
13         result += i;
14     }
15 // 返回大于等于0的值
16     return result;
17 }

module.h 源码：

1 // 用宏定义来代替全局变量
2 #define OS "Windows 7"
3 // 也可以省略 extern；不过为了程序可读性，建议写上
4 extern long sum(int, int);

运行结果：
从1加到100的和为5050 [By Windows 7]

与上节中的例子相比，我们用宏定义代替了全局变量，将函数声明和宏定义都放在了头文件 module.h，这样在 main.c 中只需要将 module.h 包含就来就可以。

.c 文件和 .h 文件都是源文件，除了后缀不一样便于区分外和管理外，其他的几乎相同，在 .c 中编写的代码同样也可以写在 .h 中，例如函数定义、预处理等。

但是 .h 文件和 .c 文件在项目中承担的角色不一样：.c 文件主要负责实现，也就是定义函数；.h 文件主要负责声明，比如函数声明、宏定义等。这些不是C语法规定的内容，而是约定成俗的规范。

下面是关于头文件的事实标准：

可以声明函数，但不可以定义函数。
可以声明常量，但不可以定义变量。
可以“定义”一个宏函数。注意：宏函数很像函数，但却不是函数。其实还是一个声明。
结构的定义、自定义数据类型一般也放在头文件中。
除了主文件（有 main() 函数的文件），其他的 .c 文件一般只定义函数，并向外暴露（可以使用 extern，也可以不使用）。
可以将一个或多个相关的函数定义在一个 .c 文件。

在很多场合，为了商业目的，项目的源代码不便（或不准）向用户公布，必须编译成 .obj 文件（二进制库）。我们只要向用户提供库文件和头文件就可以，用户会按照头文件中的函数的声明来调用库中的函数，而不需要知道函数是怎么实现的，这就很好的保护了我们的版权。

3. C语言标准库以及标准头文件

源文件通过编译可以生成 .obj 文件（二进制库文件），并提供一个头文件向外暴露接口，除了保护版权，还可以将散乱的文件打包，便于发布和使用。

实际上我们一般不直接向用户提供 .obj 文件，而是将多个 .obj 文件打包成 .lib 文件（静态库）或 .dll 文件（动态库）。

.obj 打包成 .lib 或 .dll 也要经过链接的过程来找到函数入口、变量声明等，在VC中可以直接创建相应的工程来生成（与创建 Win32 Console Application 类似，后续会讲解）。

.lib 和 .dll 可以看成是一堆 .obj 的集合，虽然有入口函数，但不能直接运行，必须被链接到 .exe 或被 .exe 调用。

C语言在发布时已经将常用的函数、宏、类型定义等打包到了静态库，并提供了相应的头文件。如果你使用的是VC，那么在安装目录下的 \VC98\Include\ 文件夹中会看到很多头文件，包括我们常用的 stdio.h、stdlib.h 等；在 \VC98\Lib\ 文件夹中有很多 .lib 文件，这就是我们链接时要用到的静态库。

例如我的 VC6.0 安装在 C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\ 目录，那么 VC6.0 附带的所有头文件都在 C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\VC98\Include\ 目录下，所有 .lib 文件都在 C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\VC98\Include\Lib\ 目录下。

如果忘记 VC6.0 的安装目录或者头文件在不在安装目录下，可以通过以下方式找到：

1) 在工具栏中点击“工具”按钮

2) 在二级菜单中选择“选项”

3) 在弹出的对话框中选择“目录”标签

4) 然后选择名字为“目录”的下拉菜单中的“Include files”一项，如下图所示：

ANSI C 规范共定义了 15 个头文件，称为“C标准库”，所有的编译器都必须支持，如何正确并熟练的使用这些标准库，可以反映出一个程序员的水平：

合格程序员：<stdio.h>、<ctype.h>、<stdlib.h>、<string.h>
熟练程序员：<assert.h>、<limits.h>、<stddef.h>、<time.h>
优秀程序员：<float.h>、<math.h>、<error.h>、<locale.h>、<setjmp.h>、<signal.h>、<stdarg.h>

除了C标准库，编译器一般也会附带自己的库，以增加功能，方便用户开发，争夺市场份额。这些库中的每一个函数都在对应的头文件中声明，可以通过 #include 预处理命令导入，编译时会被合并到当前文件。

注意：引入编译器自带的头文件（包括标准头文件）用尖括号，引入自定义头文件用双引号，例如：

#include <stdio.h>
#include "myFile.h"

4. C语言头文件的特性和规范

头文件通过 #include 命令包含到当前文件，效果与直接复制头文件的内容相同；编译器在预处理阶段实际上也是这样做的。

不管是标准头文件还是我们自己编写的头文件，都应该遵循等幂性：可以多次包含相同的头文件，但效果与只包含一次相同。

等幂性很容易实现，对于大多数的头文件可以使用宏保护。例如，在 stdio.h 中可以有如下的宏定义：

#ifndef _STDIO_H
#define _STDIO_H
/* 声明部分 */
#endif

第一次包含头文件，会定义宏 _STDIO_H，并执行声明部分的代码；第二次因为已经定义了宏 _STDIO_H，不会重复执行声明部分的代码。也就是说，头文件只在第一次包含时起作用，再次包含无效。

C标准库的头文件，也具有相互独立性：任何标准头文件的正常工作都不需要以包含其他标准头文件为前提，也没有任何标准头文件包含了其他标准头文件。

在C程序员中所达成的一个约定是：C源文件的开头部分要包含所有要用到的头文件。在 #include 指令之前只能有一句注释语句。引入的头文件可以按任意顺序排列。

如果我们自己编写的头文件（例如a.h）会用到其他头文件（例如 b.h）中的定义或声明，也可以在 a.h 的开头 #include “b.h”。这样，就不会在 .c 文件中忘记包含 b.h，也不会有顺序问题。这正是利用了头文件的等幂性。

5. C语言头文件的路径

引入编译器自带的头文件（包括标准头文件）用尖括号，引入自定义头文件用双引号，例如：

#include <stdio.h>
#include "myFile.h"

这是由头文件的路径决定的。理论上，你可以将头文件放在磁盘上的任何位置，只要带路径包含进来就可以。下面我们以 VC 6.0 为例进行讲解。

VC 6.0 在安装时会自动添加多个环境变量。例如我的 VC 6.0 安装在 C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 目录下，那么：

环境变量 include 中会包含 C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\VC98\include，用以指向头文件所在的目录（编译时需要头文件）；
环境变量 lib 中会包含 C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\VC98\lib，用以指向静态库所在的目录（链接时需要静态库）。

使用尖括号，编译器会到环境变量 include 指定的目录去查找头文件。

使用双引号，编译器首先会在当前目录查找，找到就包含就来，找不到再到环境变量 include 指定的目录去查找。

注意：这里说的当前目录不是指当前工程的根目录，而是要编译的文件所在的目录。

例如我们通过 VC 6.0 创建了一个工程，命名为 demo，保存在 E:\demo（工程根目录）。现在 E:\demo 目录下有 main.c，E:\demo\include 下有 func.h，E:\demo\module 下有 func.c，如下图所示：

如果 main.c 需要包含 func.h，就要：

#include "include/func.h"

如果 func.c 需要包含 func.h，就要：

#include "../include/func.h" /* ../ 表示上级目录 */

注意，包含头文件时你可以使用正斜杠(/)，也可以使用反斜杠(\)，它们都可以表示目录的层次。

上面说的是相对路径，以当前文件所在的目录为起点开始查找。一般情况下头文件都在工程目录，使用相对路径比较方便。

如果头文件不在工程目录并且离当前文件比较远，你也可以使用绝对路径，例如：

#include "E:\demo\include\func.h"

绝对路径以分区（盘符）为起点开始查找。

6. C语言多文件编程的例子

这一节向大家展示一个比较规范的多文件编程的例子，将前面几节的知识运用起来。

通过 VC 6.0 创建一个工程，保存到 E:\demo 目录，工程文件有：

main.c 源码：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <conio.h>
 3 #include "include/func.h"
 4 int main()
 5 {
 6     int n1 = 1, n2 = 10;
 7     printf("从%d加到%d的和为%ld\n", n1, n2, sum(n1, n2));
 8     printf("从%d乘到%d的积为%ld\n", n1, n2, mult(n1, n2));
 9     printf("OS：%s\n",OS);
10     printf("Power By %s（%s）", getWebName(), getWebURL());
11     getch();
12     return 0;
13 }

math.c 源码：

 1 // 没有使用到 func.h 中的函数声明或宏定义，也可以不包含进来
 2 #include "../include/func.h"
 3 // 从 fromNum 加到 endNum
 4 long sum(int fromNum, int endNum)
 5 {
 6     int i;
 7     long result = 0;
 8 // 参数不符合规则，返回 -1
 9     if(fromNum<0 || endNum<0 || endNum<fromNum)
10     {
11         return -1;
12     }
13     for(i=fromNum; i<=endNum; i++)
14     {
15         result += i;
16     }
17 // 返回大于等于0的值
18     return result;
19 }
20 // 从 fromNum 乘到 endNum
21 long mult(int fromNum, int endNum)
22 {
23     int i;
24     long result = 1;
25 // 参数不符合规则，返回 -1
26     if(fromNum<0 || endNum<0 || endNum<fromNum)
27     {
28         return -1;
29     }
30     for(i=fromNum; i<=endNum; i++)
31     {
32         result *= i;
33     }
34 // 返回大于等于0的值
35     return result;
36 }

web.c 源码：

 1 // 使用到了 func.h 中的宏定义，必须包含进来，否则编译错误
 2 #include "../include/func.h"
 3 char* getWebName()
 4 {
 5     return WEB_NAME;
 6 }
 7 char* getWebURL()
 8 {
 9     return WEB_URL;
10 }

func.h 源码：

 1 #ifndef _FUNC_H
 2 #define _FUNC_H
 3 // 用宏定义来代替全局变量
 4 #define OS "Windows 7"
 5 #define WEB_URL "http://www.baidu.com"
 6 #define WEB_NAME "百度"
 7 // 也可以省略 extern，不过为了程序可读性，建议都写上
 8 extern long sum(int, int);
 9 extern long mult(int, int);
10 extern char* getWebName();
11 extern char* getWebURL();
12 #endif