C++中头文件相互包含与前置声明

一、类嵌套的疑问

C++头文件重复包含实在是一个令人头痛的问题，前一段时间在做一个简单的数据结构演示程序的时候，不只一次的遇到这种问题。假设我们有两个类A和B，分别定义在各自的有文件A.h和B.h中，但是在A中要用到B，B中也要用到A，但是这样的写法当然是错误的：

class B;

class A
{
      public:
          B b;
};

class B
{
      public:
          A a;
};

因为在A对象中要开辟一块属于B的空间，而B中又有A的空间，是一个逻辑错误，无法实现的。在这里我们只需要把其中的一个A类中的B类型成员改成指针形式就可以避免这个无限延伸的怪圈了。为什么要更改A而不是B？因为就算你在B中做了类似的动作，也仍然会编译错误，表面上这仅仅上一个先后顺序的问题。
      为什么会这样呢？因为C++编译器自上而下编译源文件的时候，对每一个数据的定义，总是需要知道定义的数据的类型的大小。在预先声明语句class B;之后，编译器已经知道B是一个类，但是其中的数据却是未知的，因此B类型的大小也不知道。这样就造成了编译失败，VC++6.0下会得到如下编译错误：
      error C2079: 'b' uses undefined class 'B'
将A中的b更改为B指针类型之后，由于在特定的平台上，指针所占的空间是一定的（在Win32平台上是4字节），这样可以通过编译。

二、不同头文件中的类的嵌套

在实际编程中，不同的类一般是放在不同的相互独立的头文件中的，这样两个类在相互引用时又会有不一样的问题。重复编译是问题出现的根本原因。为了保证头文件仅被编译一次，在C++中常用的办法是使用条件编译命令。在头文件中我们常常会看到以下语句段：

#if !defined XXX_H
#define XXX_H
      //……
#endif

　　其中首句#if !defined也经常做#ifndef，作用相同。意思是如果没有定义过这个宏，那么就定义它，然后执行直到#endif的所有语句。如果下次在与要这段代码，由于已经定义了那个宏，因此重复的代码不会被再次执行。这实在是一个巧妙而高效的办法。在高版本的VC++上，还可以使用这个命令来代替以上的所有：
      #pragma once
它的意思是，本文件内的代码只被使用一次。

但是不要以为使用了这种机制就全部搞定了，比如在以下的代码中：

//文件A.h中的代码
#pragma once

#include "B.h"

class A
{
      public:
          B* b;
};

//文件B.h中的代码
#pragma once

#include "A.h"

class B
{
      public:
          A* a;
};

这里两者都使用了指针成员，因此嵌套本身不会有什么问题，在主函数前面使用#include "A.h"之后，主要编译错误如下：
      error C2501: 'A' : missing storage-class or type specifiers
仍然是类型不能找到的错误。其实这里仍然需要前置声明。分别添加前置声明之后，可以成功编译了。代码形式如下：

//文件A.h中的代码
#pragma once

#include "B.h"

class B;

class A
{
      public:
          B* b;
};

//文件B.h中的代码
#pragma once

#include "A.h"

class B;

class B
{
      public:
          A* a;
};

　　这样至少可以说明，头文件包含代替不了前置声明。有的时候只能依靠前置声明来解决问题。我们还要思考一下，有了前置声明的时候头文件包含还是必要的吗？我们尝试去掉A.h和B.h中的#include行，发现没有出现新的错误。那么究竟什么时候需要前置声明，什么时候需要头文件包含呢？

三、两点原则

头文件包含其实是一想很烦琐的工作，不但我们看着累，编译器编译的时候也很累，再加上头文件中常常出现的宏定义。感觉各种宏定义的展开是非常耗时间的，远不如自定义函数来得速度。我仅就不同头文件、源文件间的句则结构问题提出两点原则，仅供参考：

　　第一个原则应该是，如果可以不包含头文件，那就不要包含了。这时候前置声明可以解决问题。如果使用的仅仅是一个类的指针，没有使用这个类的具体对象（非指针），也没有访问到类的具体成员，那么前置声明就可以了。因为指针这一数据类型的大小是特定的，编译器可以获知。

　　第二个原则应该是，尽量在CPP文件中包含头文件，而非在头文件中。假设类A的一个成员是是一个指向类B的指针，在类A的头文件中使用了类B的前置声明并便宜成功，那么在A的实现中我们需要访问B的具体成员，因此需要包含头文件，那么我们应该在类A的实现部分（CPP文件）包含类B的头文件而非声明部分(H文件)。