Многофайловые программы на языке C. Объектный код и заголовочные файлы

Объектный код

Запуск gcc позволяет обработать файл с исходным кодом препроцессором и далее скомпилировать его. Однако при этом сам инструмент gcc не компилирует файл исходного кода в конечный исполняемый файл. Он компилирует его в объектный файл, после чего вызывает так называемый линковщик, или компоновщик. Но зачем надо сначала получать объектный файл, а потом из него уже исполняемый? Для программ, состоящих из одного файла, такой необходимости нет. Хотя при желании здесь также можно отказаться от компоновки, если выполнить команду gcc с ключом -c:

gcc -c hello.c

В результате получится файл с расширением *.o. Чтобы получить из объектного файла исполняемый, надо использовать ключ -o:

gcc -o hello hello.o

Для программ, состоящих из нескольких файлов исходного кода, получение объектных файлов является необходимым. Именно из них потом компонуется единственный исполняемый файл.

Компиляция программы, состоящей из нескольких файлов исходного кода

Рассмотрим пример. Пусть в одном файле определена пара функций, а в другом, содержащем функцию main, осуществляется их вызов.

Файл superprint.c:

#include <stdio.h>
 
void l2r(char **c, int n) {
    int i, j;
    for(i = 0 ; i < n; i++, c++) {
        for (j = 0; j < i; j++)
            printf("\t");
        printf ("%s\n", *c);
    }
}
 
void r2l(char **c, int n) {
    int j;
    for(; n > 0; n--, c++) {
        for (j = 1; j < n; j++)
            printf("\t");
        printf ("%s\n", *c);
    }
}

Файл main.c:

#include <stdio.h>
 
#define N 5
 
int main() {
    char strs[N][10];
    char *p[N];
 
    int i;
 
    for(i = 0; i < N; i++) {
        scanf("%s", strs[i]);
        p[i] = &strs[i][0];
    }
 
    l2r(p, N);  
    r2l(p, N);      
}

В теле функции main заполняется массив, состоящий из строк, а также массив указателей на эти строки. Далее в функции l2r() и r2l() передаются ссылки на первый элемент массива указателей и значение символической константы N. Эти функции осуществляют вывод элементов массива строк с отступами.

Чтобы получить исполняемый файл этой программы, надо сначала получить объектные файлы из исходных:

gcc -c superprint.c
gcc -c main.c

Тоже самое можно сделать за один вызов gcc:

gcc -c superprint.c main.c

Или даже вот так, если в каталоге находятся только файлы текущего проекта:

gcc -c *.c

В любом случае в каталоге появятся два объектных файла: superprint.o и main.o. Далее их можно скомпилировать в один исполняемый файл так:

gcc -o myprint main.o superprint.o

или так:

gcc -o myprint *.o

Обратите внимание на то, что в данном случае обязательно требуется указывать имя исполняемого файла. Такой вариант недопустим:

gcc -o main.o superprint.o

Если теперь запустить файл myprint, то программа будет ожидать ввода пяти слов, после чего выведет их на экран два раза по-разному: с помощью функций l2r(), потом r2l():

Задумаемся, каким образом в представленной выше программе код в теле main "узнает" о существовании функций l2r и r2l. Ведь в исходном коде файла main.c нигде не указано, что мы подключаем файл superprint.c, содержащий эти функции. Действительно, если попытаться получить из main.c отдельный исполняемый файл, т. е. скомпилировать программу без superprint.c:

gcc main.c

, то ничего не получится. Компилятор сообщит об ошибке вызова неопределенных идентификаторов. Получить из файла superprint.c отдельный исполняемый файл вообще невозможно, т.к. там отсутствует функция main(). А вот получить из этих файлов отдельные объектные файлы можно. Представим, что одни объектные файлы как бы "выставляют наружу" имена определенных в них функций и глобальных переменных, а другие - вызовы этих имен из тел других функций. Дальше объектные файлы "ожидают", что имена будут связаны с их вызовами. Связывание происходит при компиляции исполняемого файла из объектных.

Создание заголовочных файлов

Продолжим разбирать приведенную выше программу. Что будет, если в функции mainосуществить неправильный вызов функций l2r() и r2l()? Например, указать неверное количество параметров. В таком случае создание объектных файлов пройдет без ошибок, и скорее всего удастся получить исполняемый файл; но вот работать программа будет неправильно. Такое возможно потому, что ничего не контролирует соответствие вызовов прототипам (объявлениям) функций.

Куда правильней сообщать о неверном вызове функций уже при получении объектного файла. Поэтому хотя можно обойтись и без этого, но очень желательно сообщать функции mainпрототипы функций, которые из нее вызываются. Это можно сделать, прописав объявления функций в файле main.c:

…
void l2r (char **c, int n);
void r2l (char **c, int n);

main () {
…

Теперь, если мы передадим неправильные параметры, ошибка возникнет уже на этапе получения объектных файлов.

А теперь представим, что программа у нас несколько больше и содержит десяток файлов исходного кода. Файл aa.c требует функций из файла bb.c, dd.c, ee.c. В свою очередь dd.c вызывает функции из ee.c и ff.c, а эти два последних файла активно пользуются неким файлом stars.c и одной из функций в bb.c. Программист замучится сверять, что чего вызывает откуда и куда, где и какие объявления надо прописывать. Поэтому все прототипы (объявления) функций проекта, а также совместно используемые символические константы и макросы выносят в отдельный файл, который подключают к каждому файлу исходного кода. Такие файлы называются заголовочными; с ними мы уже не раз встречались. В отличие от заголовочных файлов стандартной библиотеки, заголовочные файлы, которые относятся только к вашему проекту, при подключении к файлу исходного кода заключаются в кавычки, а не скобки. Об этом упоминалось в предыдущем уроке.

Итак, более грамотно будет не добавлять объявления функций в файл main.c, а создать заголовочный файл, например, myprint.h и поместить туда прототипы функций l2r и r2l. При этом в файле main.c следует прописать директиву препроцессора:

#include "myprint.h"

В принципе смысла подключать myprint.h к файлу superprint.c в данном случае нет, т.к. последний не использует никаких сторонних функций, кроме стандартной библиотеки. Но если планируется расширять программу и есть вероятность, что в файле superprint.c будут вызываться сторонние для него функции, то будет надежней сразу подключить заголовочный файл.

Обратим внимание еще на один момент. Стоит ли в описанном в этом уроке примере выносить константу N в заголовочный файл? Здесь нельзя дать однозначный ответ. Если ее туда вынести, то она станет доступна в обоих файлах, и поэтому можно изменить прототипы функций так, чтобы они принимали только один параметр (указатель), а значение N будет известно функциям их заголовочного файла. Однако стоит ли так делать? В функции r2l второй параметр изменяется в процессе ее выполнения, делать это с константой будет невозможно. Придется переписывать тело функции. Кроме того, вдруг в последствии нам захочется использовать файл superprint.c в другом проекте, где будут свои порядки, и константы N в заголовочном файле не найдется.

В таком случае лучше N не выносить в заголовочный файл. Хотя имейте в виду, в каких-то проектах символическая константа может использоваться так часто и во множестве функций, что ее будет лучше поместить в заголовочный файл.

Особенности использования глобальных переменных

Если можно отказаться от использования глобальных переменных, то лучше это сделать. Желательно стремиться к тому, чтобы любой файл проекта, скажем так, "не лез к соседу за данными, а сосед не разбрасывал эти данные в виде глобальных переменных". Обмен данными между функциями следует осуществлять путем передачи аргументов и возврата значений с помощью оператора return. (Массивов это не касается.)

Однако в языке программирования C есть проблема. С помощью return можно вернуть только одно значение. Но могут быть случаи, когда функция должна изменить несколько переменных (здесь не имеются ввиду элементы массива). В таком случае без глобальных переменных обойтись сложно.

• Если в файле aa.c объявлена переменная за пределами любой функции (например, так: int count), то она является глобальной для всех файлов проекта. Чтобы получить значение этой переменной в файле aa.c достаточно просто указать ее имя (если в функции нет локальной переменной с тем же именем). Чтобы получить значение из других файлов, надо указать, что имеется в виду глобальная переменная, а не локальная. Делается это с помощью ключевого слова extern (например, extern count).
• Бывают ситуации, когда в одном файле для нескольких содержащихся в нем функций нужна глобальная переменная. Но эта переменная не должна быть доступна функциям, содержащимся в других файлах. В таком случае глобальная переменная объявляется с ключевым словом static (например, static int count). Тем самым мы как бы скрываем глобальную переменную.

Курс с решением задач:
pdf-версия