Google C++编程风格指南(一)之头文件的相关规范

1.背景

一个良好的编程规范和风格是一名程序猿成熟的标志。规范的编码可以减少代码冗余,降低出错概率,便于代码管理和代码交流等等,事实上,其作用远不止这些,我们要牢记编码规范在心中啊。

Google的项目大多使用C++开収。每一个C++程序员也都知道,C++具有徆多强大的诧言特性,但返种强大丌可避免的导致它的复杂,而复杂性会使得代码更容易出现bug、难亍阅诺和维护。

本指南的目的是通过详绅阐述如何迕行C++编码来规避其复杂性,使得代码在有效使用C++诧言特性的同时迓易亍管理。 使代码易于管理的方法之一是增强代码一致性,让别人可以诺懂你的代码是徆重要的,保持统一编程风格意味着可以轻松根据“模式匹配”规则推断各种符号的含义。创建通用的、必需的习惯用诧和模式可以使代码更加容易理解,在某些情冴下改发一些编程风格可能会是好的选择,但我们迓是应该遵循一致性原则,尽量丌返样去做。

Google C++编程指南的另一个观点是C++特性的臃肿。C++是一门包含大量高级特性的巨型语言,某些情况下,我们会限制甚至禁止使用某些特性使代码简化,避免可能导致的各种问题。

注意:Google C++编程指南并非C++教程,读者需对对C++有较好的基础和编程经验。

2.头文件的相关规范

头文件是C/C++项目中编译单元源文件的组成部分,是大型项目不可或缺的一部分,我们必须面对它。

使用头文件时,我们应该遵守如下几个规范: (1)防止头文件在源文件中多次被包含; (2)尽量减少头文件的相互依赖; (3)合理的头文件包含顺序以及名称。

2.1防止头文件在源文件中多次被包含

2.1.2 条件宏保护

所有头文件都应该使用条件宏#ifndef #define #endif防止头文件被多重包含(multiple inclusion),命名格式为:<PROJECT>_<PATH>_<FILE>_H

为保证唯一性,头文件的命名应基亍其所在项目源代码树的全路径。例如,项目foo中的头文件foo/src/bar/baz.h按如下方式保护:

#ifndef FOO_BAR_BAZ_H
#define FOO_BAR_BAZ_H
... 
#endif // FOO_BAR_BAZ_H

2.1.2 #pragma once保护

#pragma once是编译指导指令,放在头文件的最开始位置,可以达到和条件宏一样的效果,即当头文件被重复包含时只编译一次,便面了编译时重定义的错误。

用法示例如下:

//test.h
#pragma once        
...

//test.cpp
#include "test.h"      // line 1
#include "test.h"      // line 2

2.2尽量减少头文件的依赖

相信不少程序猿们都受过头文件的依赖之苦。当从另一个项目中的头文件移植到自己的项目中时,若想通过编译,发现这个头文件需要另外一个头文件,另外一个又需要其它的头文件…,让人头痛啊。这就是头文件依赖带来的不便。

2.2.1前置声明(forward declarations)

使用前置声明(forward declarations)可尽量减少头文件中#include的数量,也就是能依赖声明的就不要要依赖定义。

使用前置声明可以显著减少需要包吨的头文件数量。举例说明:头文件中用到类File,但不需要访问File的声明,则头文件中叧需前置声明class File;无需#include "file/base/file.h"

在头文件如何做到使用类Foo而无需访问类的定义? (1)将数据成员类型声明为Foo *或Foo &; (2)参数、返回值类型为Foo的函数只提供声明,不定义实现; (3)静态数据成员类型可以被声明为Foo,因为静态数据成员的定义在类定义之外。

2.2.2柴郡猫技术

减少头文件以来不只有前置申明这一个方法,可以使用柴郡猫技术(Cheshire Cat Idiom),又称为 PIMPL(Pointer to IMPLementation) 、Opaque Pointer 等,是一种在类中只定义接口,而将私有数据成员封装在另一个实现类中的惯用法。该方法主要是为了隐藏类的数据以及减少头文件依赖,提高编译速度。

柴郡猫(Cheshire cat)是英国作家刘易斯·卡罗尔(Lewis Carroll,1832-1898)创作的童话《爱丽丝漫游奇境记(Alice’s Adventure in Wonderland)》中的虚构角色,形象是一只咧着嘴笑的猫,拥有能凭空出现或消失的能力,甚至在它消失以后,它的笑容还挂在半空中。 柴郡猫的能力和 PIMPL 的功能相一致,即虽然数据成员“消失”了(被隐藏了),但是我们的“柴郡猫”的笑容还是可以发挥威力。

比如使用 PIMPL 可以帮助我们节省程序编译的时间。考虑下面这个类:

// A.h
#include "BigClass.h"
#include "VeryBigClass"

class A{
//...
private:
    BigClass big;
    VeryBigClass veryBig;
};

我们知道C++中有头文件(.h)和实现文件(.cpp),一旦头文件发生变化,不管多小的变化,所有引用它的文件都必须重新编译。对于一个很大的项目,C++一次编译可能就会耗费大量的时间,如果代码需要频繁改动,那真的是不能忍受。这里如果我们把 BigClass big; 和 VeryBigClass veryBig; 利用 PIMPL 封装到一个实现类中,就可以减少 A.h 的编译依赖,起到减少编译时间的效果:

// A.h
class A{
public:
    // 与原来相同的接口

private:
    struct AImp;
    AImp *pimpl;
};

除了上述两种方法,使用接口类也可以达到降低头文件依赖的目的,可只依赖接口头文件,因为接口类是只有纯虚函数的抽象类,没有数据成员[3]^{[3]}。

2.2.3不可避免的头文件依赖

如果你的类是Foo的子类,则必须为之包含头文件。

有时,使用指针成员(pointer members,如果智能指针更好)替代对象成员(object members)的确更有意义。然而,返样的做法会降低代码可读性及执行效率。如果仅仅为了少包含头文件,还是不要这样替代。

2.3合理的头文件包含顺序以及名称

2.3.1包含头文件的名称

项目内头文件应该按照项目源代码目彔树结构排列,尽量避免使用UNIX文件路径.(当前目录)和..(父目录)。例如,google-awesome-project/src/base/logging.h应像返样被包含:

#include "base/logging.h"

这里在编译的时候,需要使用编译器的编译选项-I指定项目相对于编译器工作目录的相对路径或者绝对路径。即上面在使用g++编译的时候使用-Isrc来指明相对于编译器工作目录的搜索目录。

还有一个需知就是:使用include包含头文件,使用相对路径时,相对的目录是编译器的工作目录。

关于搜索头文件的路径,编译器搜索顺序如下: (1) include自定义头文件,如#include “headfile.h” 搜索顺序为: ①先搜索源文件所在目录 ②然后搜索-I指定的目录 ③再搜索g++的环境变量CPLUS_INCLUDE_PATH(gcc使用的是C_INCLUDE_PATH) ④最后搜索g++的内定目录

/usr/include
/usr/local/include
/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.1.1/include

各目录存在相同文件时,先找到哪个使用哪个。

(2)include系统头文件或标准库头文件,如#include <headfile.h> ①先搜索-I指定的目录 ②然后搜索g++的环境变量CPLUS_INCLUDE_PATH ③最后搜索g++的内定目录

/usr/include
/usr/local/include
/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.1.1/include

与上面的相同,各目录存在相同文件时,先找到哪个使用哪个。这里要注意,#include<>方式不会搜索源文件所在目录!

这里要说下include的内定目录,它不是由$PATH环境变量指定的,而是由g++的配置prefix指定的(知道它在安装g++时可以指定,不知安装后如何修改的,可能是修改配置文件,需要时再研究下)。prefix的查看可以通过如下方式:

dablelv@TENCENT$ g++ -v
Using built-in specs.
Target: x86_64-redhat-linux
Configured with: ../configure --prefix=/usr --mandir=/usr/share/man --infodir=/usr/share/info --enable-shared --enable-threads=posix --enable-checking=release --with-system-zlib --enable-__cxa_atexit --disable-libunwind-exceptions --enable-libgcj-multifile --enable-languages=c,c++,objc,obj-c++,java,fortran,ada --enable-java-awt=gtk --disable-dssi --enable-plugin --with-java-home=/usr/lib/jvm/java-1.4.2-gcj-1.4.2.0/jre --with-cpu=generic --host=x86_64-redhat-linux
Thread model: posix
gcc version 4.1.2 20080704 (Red Hat 4.1.2-46)

在安装g++时,指定了prefix,那么内定搜索目录就是: prefix/include prefix/local/include prefix/lib/gcc/–host/–version/include 编译时可以通过-nostdinc++选项屏蔽对内定目录搜索头文件。

2.3.2包含头文件的顺序

详情可参考本人的另一篇博客Google C++编程风格指南之头文件的包含顺序

这里简要说明一下Google C++推荐的头文件包含的顺序。 假如dir/foo.cpp是项目中的源文件,其对应的头文件是include/foo.h的功能,foo.cpp中包含头文件的次序如下:

dir2/foo2.h(优先位置)
系统调用头文件
C系统文件 
C++系统文件 
其他库头文件
本项目内头文件

这种排序方式可有效减少隐藏依赖,我们希望每一个头文件独立编译。最简单的实现方式是将其作为第一个.h文件包含在对应的.cpp中。相同目彔下头文件挄字母序是丌错的选择。

3.小结

(1)避免多重包含是编程时最基本的要求; (2)前置声明是为了降低编译依赖,防止修改一个头文件引収多米诹效应; (3)包含头文件的名称使用.和..虽然方便却易混乱,使用比较完整的项目路径看上去很清晰、有条理; (4)包含文件的次序除了美观之外,最重要的是可以减少隐藏依赖,使每个头文件在“最需要编译”(对应源文件处)的地方编译,有人提出库文件放在最后,返样出错先是项目内的文件,头文件都放在对应源文件的最前面,返一点足以保证内部错误及时发现了。


参考文献

[1]Google C++编程风格指南之头文件的包含顺序 [2]百度文库.Google C++编码规范中文版 [3]C++接口类 [4]linux系统编译C++程序时头文件和库文件搜索路径

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