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C++头文件和std命名空间

news 来源：原创 2024/4/28 1:08:35

一个中大型软件往往由多名程序员共同开发，会使用大量的变量和函数，不可避免地会出现变量或函数的命名冲突。当所有人的代码都测试通过，没有问题时，将它们结合到一起就有可能会出现命名冲突。

例如小李和小韩都参与了一个文件管理系统的开发，它们都定义了一个全局变量 fp，用来指明当前打开的文件，将他们的代码整合在一起编译时，很明显编译器会提示 fp 重复定义（Redefinition）错误。

为了解决合作开发时的命名冲突问题，C++ 引入了命名空间（Namespace）的概念。请看下面的例子：

namespace Li{  //小李的变量定义
    FILE fp = NULL;
}
namespace Han{  //小韩的变量定义
    FILE fp = NULL
}

小李与小韩各自定义了以自己姓氏为名的命名空间，此时再将他们的 fp 变量放在一起编译就不会有任何问题。

命名空间有时也被称为名字空间、名称空间。

namespace 是C++中的关键字，用来定义一个命名空间，语法格式为：

namespace name{
//variables, functions, classes
}

name是命名空间的名字，它里面可以包含变量、函数、类、typedef、#define 等，最后由{ }包围。

使用变量、函数时要指明它们所在的命名空间。以上面的 fp 变量为例，可以这样来使用：

Li::fp = fopen("one.txt", "r");  //使用小李定义的变量 fp
Han::fp = fopen("two.txt", "rb+");  //使用小韩定义的变量 fp

::是一个新符号，称为域解析操作符，在C++中用来指明要使用的命名空间。

除了直接使用域解析操作符，还可以采用 using 关键字声明，例如：

using Li::fp;
fp = fopen("one.txt", "r");  //使用小李定义的变量 fp
Han :: fp = fopen("two.txt", "rb+");  //使用小韩定义的变量 fp

在代码的开头用using声明了 Li::fp，它的意思是，using 声明以后的程序中如果出现了未指明命名空间的 fp，就使用 Li::fp；但是若要使用小韩定义的 fp，仍然需要 Han::fp。

using 声明不仅可以针对命名空间中的一个变量，也可以用于声明整个命名空间，例如：

using namespace Li;
fp = fopen("one.txt", "r");  //使用小李定义的变量 fp
Han::fp = fopen("two.txt", "rb+");  //使用小韩定义的变量 fp

如果命名空间 Li 中还定义了其他的变量，那么同样具有 fp 变量的效果。在 using 声明后，如果有未具体指定命名空间的变量产生了命名冲突，那么默认采用命名空间 Li 中的变量。

命名空间内部不仅可以声明或定义变量，对于其它能在命名空间以外声明或定义的名称，同样也都能在命名空间内部进行声明或定义，例如类、函数、typedef、#define 等都可以出现在命名空间中。

站在编译和链接的角度，代码中出现的变量名、函数名、类名等都是一种符号（Symbol）。有的符号可以指代一个内存位置，例如变量名、函数名；有的符号仅仅是一个新的名称，例如 typedef 定义的类型别名。

下面来看一个命名空间完整示例代码：

#include <stdio.h>

//将类定义在命名空间中
namespace Diy{
    class Student{
    public:
        char *name;
        int age;
        float score;
  
    public:
        void say(){
            printf("%s的年龄是 %d，成绩是 %f\n", name, age, score);
        }
    };
}

int main(){
    Diy::Student stu1;
    stu1.name = "小明";
    stu1.age = 15;
    stu1.score = 92.5f;
    stu1.say();

    return 0;
}

运行结果：
小明的年龄是 15，成绩是 92.500000

C++ 是在C语言的基础上开发的，早期的 C++ 还不完善，不支持命名空间，没有自己的编译器，而是将 C++ 代码翻译成C代码，再通过C编译器完成编译。这个时候的 C++ 仍然在使用C语言的库，stdio.h、stdlib.h、string.h 等头文件依然有效；此外 C++ 也开发了一些新的库，增加了自己的头文件，例如：

iostream.h：用于控制台输入输出头文件。
fstream.h：用于文件操作的头文件。
complex.h：用于复数计算的头文件。

和C语言一样，C++ 头文件仍然以.h为后缀，它们所包含的类、函数、宏等都是全局范围的。

后来 C++ 引入了命名空间的概念，计划重新编写库，将类、函数、宏等都统一纳入一个命名空间，这个命名空间的名字就是std。std 是 standard 的缩写，意思是“标准命名空间”。

但是这时已经有很多用老式 C++ 开发的程序了，它们的代码中并没有使用命名空间，直接修改原来的库会带来一个很严重的后果：程序员会因为不愿花费大量时间修改老式代码而极力反抗，拒绝使用新标准的 C++ 代码。

C++ 开发人员想了一个好办法，保留原来的库和头文件，它们在 C++ 中可以继续使用，然后再把原来的库复制一份，在此基础上稍加修改，把类、函数、宏等纳入命名空间 std 下，就成了新版 C++ 标准库。这样共存在了两份功能相似的库，使用了老式 C++ 的程序可以继续使用原来的库，新开发的程序可以使用新版的 C++ 库。

为了避免头文件重名，新版 C++ 库也对头文件的命名做了调整，去掉了后缀.h，所以老式 C++ 的iostream.h变成了iostream，fstream.h变成了fstream。而对于原来C语言的头文件，也采用同样的方法，但在每个名字前还要添加一个c字母，所以C语言的stdio.h变成了cstdio，stdlib.h变成了cstdlib。

需要注意的是，旧的 C++ 头文件是官方所反对使用的，已明确提出不再支持，但旧的C头文件仍然可以使用，以保持对C的兼容性。实际上，编译器开发商不会停止对客户现有软件提供支持，可以预计，旧的 C++ 头文件在未来数年内还是会被支持。

下面是我总结的 C++ 头文件的现状：
1) 旧的 C++ 头文件，如 iostream.h、fstream.h 等将会继续被支持，尽管它们不在官方标准中。这些头文件的内容不在命名空间 std 中。
2) 新的 C++ 头文件，如 iostream、fstream 等包含的基本功能和对应的旧版头文件相似，但头文件的内容在命名空间 std 中。

注意：在标准化的过程中，库中有些部分的细节被修改了，所以旧的头文件和新的头文件不一定完全对应。

3) 标准C头文件如 stdio.h、stdlib.h 等继续被支持。头文件的内容不在 std 中。

4) 具有C库功能的新C++头文件具有如 cstdio、cstdlib 这样的名字。它们提供的内容和相应的旧的C头文件相同，只是内容在 std 中。

可以发现，对于不带.h的头文件，所有的符号都位于命名空间 std 中，使用时需要声明命名空间 std；对于带.h的头文件，没有使用任何命名空间，所有符号都位于全局作用域。这也是 C++ 标准所规定的。

不过现实情况和 C++ 标准所期望的有些不同，对于原来C语言的头文件，即使按照 C++ 的方式来使用，即#include <cstdio>这种形式，那么符号可以位于命名空间 std 中，也可以位于全局范围中，请看下面的两段代码。

1) 使用命名空间 std：

#include <cstdio>
int main(){
    std::printf("http://c.biancheng.net\n");
    return 0;
}

2) 不使用命名空间 std：

#include <cstdio>
int main(){
    printf("http://c.biancheng.net\n");
    return 0;
}

这两种形式在 Microsoft Visual C++ 和 GCC 下都能够编译通过，也就是说，大部分编译器在实现时并没有严格遵循C++标准，它们对两种写法都支持，程序员可以使用 std 也可以不使用。

第 1) 种写法是标准的，第 2) 种不标准，虽然它们在目前的编译器中都没有错误，但我依然推荐使用第 1) 种写法，因为标准写法会一直被编译器支持，非标准写法可能会在以后的升级版本中不再支持。

使用C++的头文件

虽然 C++ 几乎完全兼容C语言，C语言的头文件在 C++ 中依然被支持，但 C++ 新增的库更加强大和灵活，请读者尽量使用这些 C++ 新增的头文件，例如 iostream、fstream、string 等。

前面几节我们使用了C语言的格式输出函数 printf，引入了C语言的头文件 stdio.h，将C代码和 C++ 代码混合在了一起，我不推荐这样做，请尽量使用 C++ 的方式。下面的例子演示了如何使用 C++ 库进行输入输出：

#include <iostream>
#include <string>

int main(){
    //声明命名空间std
    using namespace std;
   
    //定义字符串变量
    string str;
    //定义 int 变量
    int age;
    //从控制台获取用户输入
    cin>>str>>age;
    //将数据输出到控制台
    cout<<str<<"已经成立"<<age<<"年了！"<<endl;

    return 0;
}

运行结果：
C语言中文网↙
6↙
C语言中文网已经成立6年了！

string 是 C++ 中的字符串类，初学者可以将 string 看做一种内置的数据类型，就像 int、float 等，可以用来定义变量。cin 用于从控制台获取用户输入，cout 用于将数据输出到控制台，下节我们会详细讲解。

读者暂时不需要深入了解这段代码的细节，只需要留意using namespace std;，它声明了命名空间 std，后续如果有未指定命名空间的符号，那么默认使用 std，代码中的 string、cin、cout 都位于命名空间 std。

在 main() 函数中声明命名空间 std，它的作用范围就位于 main() 函数内部，如果在其他函数中又用到了 std，就需要重新声明，请看下面的例子：

#include <iostream>

void func(){
    //必须重新声明
    using namespace std;
    cout<<"http://c.biancheng.net"<<endl;
}

int main(){
    //声明命名空间std
    using namespace std;
   
    cout<<"C语言中文网"<<endl;
    func();

    return 0;
}

如果希望在所有函数中都使用命名空间 std，可以将它声明在全局范围中，例如：

#include <iostream>

//声明命名空间std
using namespace std;

void func(){
    cout<<"http://c.biancheng.net"<<endl;
}

int main(){
    cout<<"C语言中文网"<<endl;
    func();

    return 0;
}

很多教程中都是这样做的，将 std 直接声明在所有函数外部，这样虽然使用方便，但在中大型项目开发中是不被推荐的，这样做增加了命名冲突的风险，我推荐在函数内部声明 std。