最小程序结构

上一章的程序只有一个源文件。本章把同一个问候程序拆成入口、接口和实现文件。你将先阅读目录和源码，再通过编译与链接确认它们如何协作。

查看工程文件

工程目录

minimal-program-structure/
├── main.cpp          # 程序入口，调用问候接口并输出结果
├── greeting.h        # 声明 MakeGreeting()
├── greeting.cpp      # 定义 MakeGreeting()
└── build-and-run.sh  # 一次完成创建目录、编译和链接

编译器分别处理两个 .cpp 文件，链接器再把它们的结果组合成一个可执行程序。

阅读文件结构

按“入口 → 接口 → 实现”的顺序阅读下面的源码。

main.cpp 如何看到声明

main() 是程序入口，操作系统从它的第一条语句开始执行，花括号 {} 之间是函数体。

main.cpp

// 程序入口：调用 MakeGreeting() 并输出结果。
#include <iostream>

#include "greeting.h"

int main() {
  std::cout << MakeGreeting() << "\n";
  return 0;
}

main() 最后返回 0，表示程序正常结束。std::cout 是标准输出流，字符串末尾的 \n 表示换行。

main.cpp 通过 #include "greeting.h" 看到 MakeGreeting() 的声明，因此能在调用点做类型检查。#include 只把头文件内容放进当前翻译单元，不会把 greeting.cpp 的实现链接进程序。

greeting.h 如何声明接口

下面的头文件声明返回 std::string 的函数，声明末尾必须有分号，也没有函数体：

greeting.h

// 问候接口：声明 MakeGreeting()，供其他源文件调用。
#pragma once

#include <string>

std::string MakeGreeting();

#pragma once 是广泛支持的实现扩展，不是 ISO C++ 标准保证。本项目用它防止同一个头文件在一次编译中重复包含。#include <string> 提供 std::string 的声明。尖括号和引号表达不同的查找意图，具体搜索路径由编译器和编译参数决定。

greeting.cpp 如何提供定义

实现文件包含自己的头文件，并提供与声明完全一致的函数定义：

greeting.cpp

// 实现 greeting.h 中声明的 MakeGreeting()。
#include "greeting.h"

std::string MakeGreeting() {
  return "Hello, World!";
}

实现只在一个源文件中出现，避免重复定义。头文件和实现的返回类型、函数名与参数必须一致，否则调用点看到的接口和链接输入就不再是同一个函数。

编译并链接

编译产出 build/ 下的两个目标文件，链接器再把它们合成可执行程序。

编译

预处理器先把头文件声明放进 main.cpp 对应的翻译单元，编译器再把每个翻译单元转换为目标文件，-c 表示只编译不链接：

Ubuntu Bash（minimal-program-structure 目录）

# 创建构建目录
mkdir -p build
# 分别生成两个目标文件
clang++ -std=c++20 -stdlib=libc++ -Wall -Wextra -Werror -c main.cpp -o build/main.o
clang++ -std=c++20 -stdlib=libc++ -Wall -Wextra -Werror -c greeting.cpp -o build/greeting.o

命令成功后，build/main.o 和 build/greeting.o 应该存在。目标文件还不是可以直接运行的程序。

链接

链接器把两个目标文件中的入口、调用关系和函数实现组合起来，解析 main.cpp 对 MakeGreeting() 的引用，并生成最终可执行文件。

Ubuntu Bash（minimal-program-structure 目录）

clang++ -std=c++20 -stdlib=libc++ -Wall -Wextra -Werror \
  build/main.o build/greeting.o -o build/minimal-program-structure

链接成功后会生成 build/minimal-program-structure。如果省略 build/greeting.o，编译阶段仍可能成功，但链接器会报告 undefined reference to MakeGreeting()。

运行

运行可执行文件，确认加载和执行阶段也成功；也可以运行 bash build-and-run.sh，让脚本一次完成创建目录、编译和链接。

Ubuntu Bash（minimal-program-structure 目录）

./build/minimal-program-structure

输出如下：

输出

Hello, World!

常见错误

undefined reference to MakeGreeting

这个错误说明编译器看到了声明，但链接器没有找到 MakeGreeting() 的实现，按下面的顺序恢复。

定位缺失定义

查看链接命令是否包含 greeting.cpp 或 build/greeting.o。
修复链接输入

把缺失的 greeting.cpp 加回编译和链接命令。
验证链接结果

重新执行本章的编译、链接和运行命令，终端应输出 Hello, World!。

找不到 greeting.h

编译器提示找不到 greeting.h 时，按下面的顺序检查头文件位置。

定位当前目录

先用 pwd 确认当前目录，再用 ls main.cpp greeting.cpp greeting.h 确认入口、接口和实现文件都在。命令没有列出文件时，说明执行位置不对。
修复包含路径

回到示例目录再执行命令。文件位于其他目录时，用 -I 告诉编译器头文件路径。
验证编译

重新执行本章的编译和链接命令，两个源文件都应成功生成目标文件。

自测问题

先不要展开答案，试着自己把回答完整说出来，再展开对照。说不出来的部分，回到对应小节对照正文。

为什么先把 main.cpp 和 greeting.cpp 分别编译成目标文件，而不是只执行一次链接命令？

查看答案

每个源文件先独立编译，编译器才能分别检查各自的翻译单元并生成可复用的目标文件，链接阶段再组合这些目标文件。这样修改一个源文件时，构建系统可以只重新编译受影响的部分。
为什么链接命令必须包含 greeting.cpp 或 build/greeting.o？

查看答案

greeting.h 只提供 MakeGreeting() 的声明，真正的函数定义在 greeting.cpp 中。链接输入缺少该定义时，调用点虽然通过了编译，链接器仍无法解析符号。

本章回顾

你已经能区分程序入口、声明、实现、编译和链接。下一章用 CMake 把这套命令保存成可重复的工程规则。