1. 引言
在探索C++的深层次结构时，我们不仅要理解其技术细节，还要理解为什么这些技术是这样设计的。背后的设计哲学往往与人性有关。正如心理学家Carl Rogers所说：“我们所听到的最深层次的东西往往来自我们的沉默中。” 在编程中，这意味着真正的理解往往来自于深入研究和实践，而不仅仅是表面的学习。
1.1 C++链接的重要性
C++链接（Linking）是C++编程中的一个核心过程，它确保了不同的编译单元（Compilation Units）能够协同工作。链接器（Linker）的任务是将这些编译单元组合成一个可执行文件或库。
但为什么链接如此重要呢？这与人类的社交行为有异曲同工之妙。正如人们需要与他人交往以形成一个社会，编译单元也需要链接以形成一个完整的程序。这种需求是基于人类的基本心理需求，即归属感和连接感。
在C++中，如果没有正确的链接，程序可能会遇到各种问题，如未解析的符号或多重定义。这就像在人际关系中，如果没有正确的沟通，可能会导致误解或冲突。
1.2 为什么需要深入了解链接
深入了解链接的原因与心理学中对自我认知的追求相似。正如心理学家Abraham Maslow在其著作《向心理健康的人性方向》中所说：“一个人不能不知道自己是谁。” 在编程中，这意味着为了编写高效、可靠的代码，开发者需要深入了解其工作原理。
链接不仅仅是将编译单元组合在一起。它涉及到符号解析、地址绑定和各种优化。这些都是C++开发者应该了解的核心概念。
例如，考虑以下代码：
// file1.cpp extern int value; // 声明一个外部整数 void function1() { value = 10; // 设置值 } // file2.cpp int value; // 定义整数 void function2() { value += 5; // 增加值 }
在这个例子中，value在file1.cpp中被声明为外部变量，在file2.cpp中被定义。链接器的任务是确保file1.cpp中的function1和file2.cpp中的function2都引用同一个value变量。
这就像人们在社交场合中识别和互动的方式。我们使用名字、面孔和其他标识来识别和与他人互动。同样，链接器使用符号来识别和链接不同的编译单元。
1.2.1 符号解析与人的认知
当我们遇到一个人时，我们的大脑会迅速地从记忆中检索与这个人相关的信息，如他们的名字、我们与他们的关系等。这种迅速的信息检索过程与链接器在解析符号时的工作相似。
在上面的例子中，链接器需要确定file1.cpp中的value和file2.cpp中的value是否指的是同一个变量。这就像我们在遇到一个人时确定他们的身份。
通过深入了解这些过程，C++开发者可以更好地理解代码的工作原理，从而编写更高效、更可靠的代码。
2. C++链接基础
在我们的日常生活中，连接是无处不在的。从心理学的角度看，人们通过连接建立关系、理解世界并找到自己的位置。在C++的世界中，链接扮演着类似的角色，它确保代码的各个部分能够和谐地工作在一起。
2.1 编译与链接的区别
编译和链接是C++代码从源代码到可执行文件的两个主要步骤。这两个步骤的目的和工作方式都有所不同，但它们都是为了同一个目标：创建一个可运行的程序。
2.1.1 编译：代码的翻译
编译是将C++源代码转换为机器代码的过程。在这个阶段，编译器会检查代码的语法、生成中间代码并进行一些基本的优化。
从心理学的角度看，这就像我们学习一门新语言时的过程。我们首先需要理解这门语言的语法和结构，然后才能开始使用它来表达我们的思想。
2.1.2 链接：组合的艺术
链接是将多个编译单元组合成一个完整的程序的过程。在这个阶段，链接器会解析符号、合并相同的数据和函数，并生成最终的可执行文件。
这就像我们在建立人际关系时的过程。我们需要找到共同点、解决冲突并建立稳固的关系。
2.2 静态链接 vs 动态链接
在C++中，有两种主要的链接方式：静态链接和动态链接。这两种方式都有其优点和缺点，选择哪种方式取决于项目的需求和目标。
2.2.1 静态链接：稳定但臃肿
静态链接是将所有的代码和数据都包含在一个单独的可执行文件中的过程。这意味着生成的程序不依赖于任何外部的库或文件。
这就像一个人的性格是内向的，他们更喜欢独自完成任务，不依赖于他人。这种方式的优点是稳定性和独立性，但缺点是生成的文件可能会很大。
2.2.2 动态链接：灵活但依赖
动态链接是在运行时加载所需的库的过程。这意味着生成的程序依赖于外部的动态链接库（DLLs）。
这就像一个人的性格是外向的，他们更喜欢与他人合作，依赖于他人的帮助。这种方式的优点是灵活性和文件大小较小，但缺点是可能会遇到依赖问题。
| 链接方式 | 优点 | 缺点 |
| 静态链接 | 稳定性、独立性 | 文件大小大 |
| 动态链接 | 灵活性、文件大小小 | 依赖问题 |
3. 多重定义与inline关键字
在人类的社交互动中，我们经常遇到重复的信息。例如，当两个人在讲述同一个故事或事件时，他们可能会提供相同的细节。在这种情况下，我们的大脑会自动筛选和整合这些重复的信息，以避免认知过载。在C++的世界中，链接器扮演着类似的角色，特别是在处理多重定义的问题时。
3.1 什么是多重定义
多重定义是指在链接过程中，同一个符号在多个编译单元中都有定义。这通常是由于头文件被多次包含导致的。
从心理学的角度看，这就像我们在处理冗余信息时的过程。当我们的大脑接收到重复的信息时，它会自动筛选和整合这些信息，以避免认知过载。
3.1.1 示例：多重定义的问题
考虑以下代码：
// file1.cpp int value = 10; // file2.cpp int value = 20;
在这个例子中，value在file1.cpp和file2.cpp中都被定义了。这会导致链接时的多重定义错误。
这就像两个人都声称自己是某个团队的负责人。这种冲突需要被解决，否则团队的运作会受到影响。
3.2 inline关键字的双重作用
inline关键字在C++中有两个主要作用：性能优化和解决链接时的多重定义问题。
3.2.1 性能优化
当一个函数被声明为inline时，编译器会尝试将其内联到调用它的地方，从而避免函数调用的开销。
这就像我们在处理日常任务时的策略。当我们面对一个简单的任务时，我们可能会立即处理它，而不是将其委托给他人，以避免沟通的开销。
3.2.2 解决链接时的多重定义问题
当一个函数被声明为inline并在头文件中定义时，它在链接时会被特殊处理。即使这个函数在多个编译单元中都有定义，链接器也会确保在最终的可执行文件中只有一个定义。
这就像我们在处理冲突时的策略。当两个人都声称自己是某个团队的负责人时，团队可能会选择其中一个人作为负责人，以避免冲突。
3.2.3 示例：使用inline解决多重定义
考虑以下代码：
// header.h inline void function() { // ... function implementation ... }
在这个例子中，function是一个inline函数，直接在头文件中定义。即使这个头文件被多个编译单元包含，也不会导致function的多重定义，因为它被标记为inline。
4. 头文件保护机制
在人类的交往中，明确的界限和规则是维持和谐关系的关键。没有明确的界限，可能会导致混淆、误解和冲突。在C++的世界中，头文件保护机制扮演着类似的角色，确保代码的清晰性和一致性。
4.1 为什么需要头文件保护
头文件在C++中是共享代码和声明的主要方式。但是，由于各种原因，头文件可能会被多次包含，导致重复的声明和定义。这不仅会浪费编译时间，还可能导致编译错误。
从心理学的角度看，这就像我们在处理信息过载时的感觉。当我们的大脑被过多的信息所淹没时，我们可能会感到困惑和压力。
4.1.1 示例：头文件的重复包含
考虑以下代码：
// MyClass.h class MyClass { // ... class definition ... }; // Main.cpp #include "MyClass.h" #include "MyClass.h" // 重复包含
在这个例子中，MyClass.h在Main.cpp中被重复包含。虽然这不会导致MyClass的重复定义错误，但它确实是不必要的，并可能导致其他问题。
这就像一个人在短时间内重复听到同一个故事。虽然这不会导致混淆，但它确实是不必要的，并可能导致注意力分散。
4.2 传统的#ifndef/#define/#endif方法
为了避免头文件的重复包含，C++开发者通常使用预处理器宏来确保头文件只被包含一次。这种方法是基于#ifndef、#define和#endif预处理器指令。
从心理学的角度看，这就像我们为自己设定的界限和规则，以避免与他人的冲突。
4.2.1 示例：使用#ifndef/#define/#endif
考虑以下代码：
// MyClass.h #ifndef MYCLASS_H #define MYCLASS_H class MyClass { // ... class definition ... }; #endif
在这个例子中，MYCLASS_H宏用于确保MyClass.h只被包含一次。这避免了重复的声明和定义，确保代码的清晰性和一致性。
这就像一个人在社交场合中明确自己的界限，以避免与他人的冲突。
4.3 现代的#pragma once方法
除了传统的#ifndef/#define/#endif方法，许多现代编译器还支持#pragma once预处理器指令，作为头文件保护的替代方法。
从心理学的角度看，这就像我们寻找更简单、更直接的方法来处理问题，而不是坚持传统的方法。
4.3.1 示例：使用#pragma once
考虑以下代码：
// MyClass.h #pragma once class MyClass { // ... class definition ... };
在这个例子中，#pragma once指令确保MyClass.h只被包含一次，无需使用传统的#ifndef/#define/#endif方法。
这就像一个人寻找更简单、更直接的方法来处理问题，而不是坚持传统的方法。
【C/ C++链接】深入C/C++链接：从基础到高级应用（二）https://developer.aliyun.com/article/1467407
