从零开发操作系统-聊一聊C语言中的头文件

一、背景

其实也没有啥背景。 最主要的原因就像 《30天自制操作系统》一书作者说的那样，写一个操作系统，仅仅想想就是一件特别有趣的事情呢。一两年前曾经入手开始写过，但慢慢的就不了了之了。现在又有这个想法了，准备一直干下去，最终写一个操作系统出来，算是程序员生涯的一份礼物。

其次的原因，是因为我也认为未来初级程序员的岗位会越来越少，借助 LLM 人人都是初级程序员可能会变成现实。这个时候专业性和底层就会越来越重要。

二、C语言头文件

《30天自制操作系统》进入到了第六天，开始对C的代码进行重构。重构的过程中遇到了两种类型的文件 .h 和 .c 接下来会重点介绍一下这两种文件

2.1 .h vs .c

在C语言中，.h（Header）文件和.c（Source）文件是两种不同的文件类型，它们在编译和链接过程中扮演不同的角色。

1. .h 文件（Header 文件）:
   • .h 文件通常包含函数声明、宏定义、类型定义和包含其他.h文件的指令。
   • 这些文件用于定义和声明可以在多个.c文件中使用的符号和结构。
   • .h 文件可以被多个.c文件包含，以避免重复定义和声明。
   • 它们通常位于项目的头文件目录中，并且以.h结尾。
2. .c 文件（Source 文件）:
   • .c 文件包含实际的函数实现、变量声明和代码逻辑。
   • 这些文件通常用于编写程序的主要功能和算法。
   • 每个.c文件可以包含一个或多个函数的实现，以及相关的变量和数据结构。
   • 它们通常位于项目的源文件目录中，并且以.c结尾。 在编译过程中，.c 文件会被编译成目标文件（.o 文件），而.h文件则不会被编译。在链接过程中，.o 文件会被链接器合并，生成可执行文件或库文件。.h 文件在链接过程中不参与，因为它们只包含声明，而不是实现。 总结来说，.h 文件用于定义和声明，而.c 文件用于实现和编写代码。两者共同工作，以确保代码的可重用性和模块化。

2.2 .h 文件的好处

另外也可以在不使用.h文件的情况下达到相同的效果，但是使用.h文件通常可以提高代码的清晰度、可维护性和重用性。以下是使用.h文件的一些好处：

1. 模块化：.h文件可以包含多个.c文件中使用的公共声明，如函数原型、宏定义和类型定义。这有助于将代码组织成模块，每个模块负责不同的功能。
2. 减少重复：通过在.h文件中定义和声明，可以避免在多个.c文件中重复编写相同的声明。
3. 易于维护：当需要修改或更新公共声明时，只需在.h文件中进行一次更改，所有包含该.h文件的.c文件都会自动更新。
4. 提高可读性：.h文件可以帮助开发者快速了解哪些声明和函数可以在项目中使用，而不需要阅读所有.c文件。
5. 隔离依赖：.h文件可以包含依赖关系，这有助于确保编译器知道哪些.c文件需要被编译以支持特定的声明。
6. 减少编译时间：编译器在编译.c文件时会检查其依赖关系。如果一个.c文件包含一个.h文件，编译器不需要再次编译.h文件，这可以加快编译速度。
7. 跨平台支持：.h文件可以包含平台特定的宏定义，这有助于在不同的操作系统上编译和运行代码。 尽管可以使用全局.c文件来代替.h文件，但是这种做法通常会导致代码混乱，难以维护，并且编译时间可能会增加。因此，除非有特殊原因，推荐使用.h文件来组织和维护C语言项目。

2.3 为什么会选择.h 这种实现方式

目前没有明确的答案，C 的发明者也没有明确说，以下仅为猜测 C 语言的设计者 Dennis Ritchie 选择使用 .h 文件作为头文件的主要原因如下:

1. 编译器技术:
   • 当时 C 语言的编译器技术还比较初级,需要依赖头文件来获取函数、变量等的声明信息。
   • 使用单独的头文件可以更好地满足编译器的需求。
2. 模块化设计:
   • Ritchie 希望 C 语言能够支持模块化设计,将程序划分为多个源文件。
   • 头文件有助于实现模块化,使得程序更加清晰、可维护。
3. 语言特性:
   • C 语言是一种偏底层的语言,更关注于程序的性能和控制。
   • 头文件的设计符合 C 语言的这种特性,为程序员提供了更细粒度的控制。
4. 历史原因:
   • C 语言是在 1970 年代开发的,当时的编程环境和软件开发方式与今天有很大不同。
   • 头文件的设计是为了适应当时的编程环境。
5. 可移植性:
   • 头文件有助于提高 C 程序的可移植性,因为它们封装了与平台相关的信息。
   • 这对于当时的计算机硬件和操作系统环境非常重要。
6. 命名约定:
   • .h 是一个常见的文件扩展名,用于表示头文件。
   • 这种命名约定使得头文件更容易被识别和管理。

总之,Ritchie 选择使用 .h 文件作为头文件,是基于当时 C 语言的编译器技术、模块化设计需求、语言特性以及可移植性等因素。这种设计方式虽然在今天看来可能有些过时,但在 C 语言诞生的年代,它确实是一个合理的选择。

三、总结

文章围绕作者写操作系统初衷展开，着重讲解 C 语言里.h与.c文件差异、协同工作方式，凸显.h文件对提升代码质量的意义，剖析其设计成因，体现其在 C 语言编程体系里的重要与合理性。