C编程必知：为什么每个头文件都需要#ifndef/#define

原创

李述铜

修改于 2025-11-03 16:25:41

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文章被收录于专栏：C语言C语言

大家好，我是李述铜，一名专注于嵌入式系统与底层开发的工程师，我的主要工作是制作课程带大家从零手写操作系统、TCP/IP协议栈、文件系统等核心系统，从实现的视角理解计算机底层原理。

最近，我已经读完了《C Primer Plus》，也写了一些文章总结我自己比较感兴趣的内容。应一些同学的要求，接下来会写一些文章介绍同学们在使用C语言过程中，比较有意思的知识点或编程技巧。

这篇文章主要涉及C语言中的#ifndef和#define。

在C语言开发中，我们能在几乎每个头文件看到类似的代码，比如：

#ifndef __FOO_H__
#define __FOO_H__

// 头文件内容

#endif

相信不少同学都会有这样的困惑，例如：

“为什么要写#ifndef/#define？如果不写，会有什么问题？

今天，这篇文章将会帮你彻底搞明白上述问题。

一、问题场景：如果不使用#ifndef/#define会怎样？

我们知道，C语言编译器在处理#include时，由其预处理器对该指令进行处理。预处理器的工作很简单：把文件内容直接插入到当前文件中的该位置。

也就是说：#include = 文本替换,即将#include所在的行，用文件内容做替换。

这样做可以方便代码的编写，并实现代码的重用。但是，如果一个头文件被多次#include，就会出现重复定义等编译或链接错误。

示例一：简单问题示例

这里举一个简单的例子：

#include "foo.h"
#include "foo.h"   // 重复

int main() {}

如果foo.h中定义了结构体类型：

struct Point{int x, y;};

重复include就会导致生成两个struct Point的定义，此时编译是会出错的(有的编译器可能视为警告)：

struct Point{int x, y;};
struct Point{int x, y;};

int main() {}

示例二：复杂问题示例

现实中，极少有人像上面那样在同一个文件中连续#include同一文件，而更多的是直接或间接#include。例如：

假设有两个头文件foo.h和bar.h：

// foo.h
struct Point{int x, y;};
// bar.h
#include "foo.h"

然后在main.c中使用#include：

#include "foo.h"
#include "bar.h"   // 间接又包含了 foo.h

int main() {
    struct Point p;
    p.x = 1;
    p.y = 2;
    return 0;
}

在对main.c进行编译时，编程器会进行如下操作：

#include "foo.h" → 复制foo.h内容 struct Point{int x, y;};
#include "bar.h"→ 复制bar.h内容 #include "foo.h" 由于有#include "foo.h“，于是再复制foo.h内容 → 又生成一次struct Point;

最终展开后的代码类似：

struct Point{int x, y;};
struct Point{int x, y;};

int main() {
    struct Point p;
    p.x = 1;
    p.y = 2;
    return 0;
}

所以，这同样导致了类似前一种问题那样，出现重定义的问题。

解决方法：使用#ifndef/#define避免重定义

那么，如何解决这个问题呢？我们可以在每个头文件中，加上类似如下的宏语句。

比如，对于foo.h，可以添加：

#ifndef __FOO_H__
#define __FOO_H__

struct Point{int x, y;};

#endif

那么，#ifndef/#define是如何工作的呢？

#ifndef FOO_H .... #endif表示：如果未定义__FOO_H__,则将其后的代码纳入编译中；否则，就跳过 #define FOO_H__表示：预定义宏__FOO_H

这里以示例二给出的问题为例，介绍如其是如何发挥作用的：

当C编译器第一次包含foo.h头文件时

#include "foo.h"        // 第一次包含foo.h
#include "bar.h"   

int main() {
    struct Point p;
    p.x = 1;
    p.y = 2;
    return 0;
}

预处理器的执行顺序如下：

遇到#ifndef FOO_H，检查宏__FOO_H__是否存在：由于此时，__FOO_H__未定义，因此条件成立。
执行#define FOO_H，宏FOO_H被定义: 之后的代码 struct Point { int x, y; }; 被纳入编译。
遇到#endif，结束条件编译块。

结果就是，预处理器将struct Point放入 main.c 中，供后续编译阶段处理，相当于如下效果：

struct Point{int x, y;};
#include "bar.h"   

int main() {
    struct Point p;
    p.x = 1;
    p.y = 2;
    return 0;
}

接下来，C编译器处理#include "bar.h"，由于bar.h中使用了#include "foo.h"语句，因此处理后的效果为：

struct Point{int x, y;};
#include "foo.h"
int main() {
    struct Point p;
    p.x = 1;
    p.y = 2;
    return 0;
}

最后，C编译器继续处理#include "foo.h"，此时：

遇到#ifndef FOO_H，检查宏__FOO_H__是否存在：由于此时__FOO_H__已经定义，因此条件不成立。
条件不成立，预处理器跳过#define和整个头文件内容，包括struct Point。
遇到#endif，结束条件编译块。

因此处理后的效果为：

struct Point{int x, y;};

int main() {
    struct Point p;
    p.x = 1;
    p.y = 2;
    return 0;
}

这样一来，虽然foo.h被直接直接或间接包含两次；但最终struct Point只被展开一次，这样就避免了重复定义。

综上所述，使用#ifndef/#define/#endif，可使得第一次包含头文件时，条件成立，相关的宏被定义且头文件内容被展开。而第二次及之后包含时，由于宏已经定义过了，使得条件不成立，头文件内容被跳过。也就说，头文件保护通过宏定义状态让编译器记住已经处理过这个头文件，从而安全地多次包含头文件，避免重复定义变量、结构体或函数声明。