C++11: 声明和定义

声明与定义是C/C++中两个核心的概念，也是C/C++区别于其他语言独有的特性。它们对程序的编译和链接过程起着至关重要的作用。

一、C++标准的描述

声明（Declaration）：声明告诉编译器某个实体（如变量、函数、类等）存在，并提供足够的类型信息供编译器理解。声明并不涉及该实体内存空间分配或具体实现，只是保证编译阶段能够识别并合法使用该对象。

例如：

extern int x;           // 变量声明
int foo(int, int);      // 函数声明

定义（Definition）：定义不仅声明了一个实体的存在，还描述它的具体实现，例如变量的初始化、函数的具体实现等。定义会提供具体的实现。在一个程序中，每个实体只能有且只有一个定义，而声明则可以有多个。

例如：

int x = 5;             // 变量定义，同时也是声明int foo(int a, int b)  // 函数定义
{ return a + b;
}   

二、声明与定义的区别

从编码角度来看，声明与定义的关系可总结为以下几点：

• 声明与定义的关系：定义本身也是一种声明，因为定义也在告知编译器该实体的存在。然而，声明并不一定是定义。例如，函数原型是一个声明，而函数的实现则是定义。

• 多个声明，一个定义：对于一个实体对象，C++允许有多个声明，但只能有一个定义。多个模块中的代码可以共享声明，而它们共同依赖的定义则在一个模块中提供。

  例如：

  // 声明可以出现在多个文件中 
  extern int globalVar; // 但定义只能有一次 
  int globalVar = 10;

三、声明与定义的作用

从编译和链接的角度来看，声明和定义发挥着不同的作用：

• 编译阶段（Compilation）：声明主要在编译阶段使用。编译器在编译代码时，只需要知道某个实体的存在及其类型信息，而不需要知道它的具体实现。因此，声明足以使编译器生成相关代码。例如，编译器可以根据声明生成调用某个函数的指令，而无需知道该函数的实现细节。

• 链接阶段（Linking）：定义则在链接阶段起作用。当程序被分成多个模块编译时，最终的链接过程需要将所有模块中的定义结合起来。如果某个符号（变量或函数）有声明但没有定义，链接器将报错，因为它无法找到该符号的具体实现。

四、作用域与可见性

作用域决定了声明的可见性，或者说一个声明在程序中的哪些地方可以被访问。C++中的作用域有以下几种：

• 局部作用域：在函数或代码块中声明的变量或对象，只在该函数或代码块中可见，函数外部无法访问这些局部声明。

  void func() 
  { int a = 10; // 局部变量 `a` 的作用域仅限于 `func` 函数 
  }

• 全局作用域：全局变量的声明和定义通常在函数或类的外部进行，这种变量在整个程序中都是可见的。全局变量声明可以多次出现，但定义只能有一次。extern 关键字通常用于在不同文件之间引用全局变量。

  extern int globalVar; // 声明全局变量

五、typedef 和 using 的区别

在早期的 C++ 版本中，typedef 关键字用于为现有的类型声明一个新的别名。这在代码可读性和简化复杂类型表达方面非常有用。然而，C++11 引入了 using 关键字来取代 typedef，它不仅语法上更简洁，还支持模板的使用。

• typedef 示例：

  typedef unsigned long ulong;

• using 示例（C++11 引入）：

  using ulong = unsigned long;

using 在模板别名中尤其有用，因为 typedef 无法为模板生成别名：

// 使用 typedef 无法为模板定义别名 
template<typename T> typedef std::vector<T> Vec; // 错误 // 使用 using 生成模板别名 
template<typename T> 
using Vec = std::vector<T>;

六、前置声明与循环依赖

前置声明（forward declaration）是一个常见的声明技术，用于解决多个类或函数之间的循环依赖问题。当两个类相互引用时，可以通过前置声明来打破循环依赖，而不必在声明时包含完整的定义。前置声明只是告诉编译器某个类型的名字存在，具体的定义会在后面提供。

例如：

class B; // 前置声明 class A 
{ B* b; // `A` 可以持有指向 `B` 的指针，但此时还不需要知道 `B` 的具体定义 
}; class B 
{ A a;  // `B` 持有 `A` 对象的实例，前置声明解决了循环依赖问题
};

七、C++11声明与定义的新特性

C++11 引入了一些有趣的新特性，进一步增强了声明与定义的灵活性：

• constexpr 声明：C++11 引入了 constexpr 关键字，用于声明常量表达式函数。这类函数的结果可以在编译时计算，因此既是声明也是定义。

  constexpr int square(int x)
  {return x * x; 
  }

• 默认与删除的函数声明：C++11 允许为特殊成员函数（如构造函数、赋值运算符等）使用 = default 和 = delete，以显式声明某个函数使用默认实现或被删除。

  class MyClass 
  { 
  public:MyClass() = default; // 使用默认构造函数 MyClass(const MyClass&) = delete; // 禁用拷贝构造函数
  };

八、总结

声明与定义是 C/C++ 语言中不可分割的两个概念。声明告诉编译器某个实体的存在，而定义则提供该实体的具体实现。声明主要用于编译阶段，而定义在链接阶段起作用。作用域决定了声明的可见性，C++11 进一步引入了 using、constexpr 等新特性，增强了声明与定义的灵活性与可读性。在大型项目中，合理地分离声明与定义、避免循环依赖是高效管理代码的关键。