头文件是C语言的一个重要组成部分，这种类型的文件名一般以 .h 结尾，h 表示 header，因此被称为“头文件”。头文件里一般存放公开的函数原型，数据类型等内容，其他模块需要使用这些函数或者数据类型时，只需包含相应头文件即可。
相信读者大都使用过C语言的头文件，不过还是有可能对其理解不透彻，这会导致读者在遇到一些问题时不知道如何解决。本文将较为详细的讨论C语言头文件的特点，并在此基础上，分析几个初学者常会跳进的“陷阱”，以及相应的解决办法。
C语言的#include语法
头文件通常与C语言的#include 语法配合使用，意为“将头文件内容包含进来”，例如在 t.c 文件里写下这段C语言代码：
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("hello world\n");
return 0;
}
编译器在编译这段C语言代码之前，会有一个“预处理”的过程，在此过程中，stdio.h 里的内容被展开到 t.c 文件里。事实上，在终端输入 gcc -E 命令即可查看预处理后的C语言代码：
# gcc -E t.c
可见，编译器在预处理阶段会将 stdio.h 的内容展开到 main() 函数之前。事实上，如果创建 str.h 文件，并在其中写入“hello world\n”，我们甚至可以写出下面这样的C语言代码：
#include <stdio.h>
int main()
{
printf(
#include "str.h"
);
return 0;
}
输入 gcc -E 查看编译器预处理后的C语言代码，会发现编译器将 str.h 文件里的内容“hello world\n”展开到 printf() 里了，此时 printf(#include "str.h"); 等价于 printf("hello world\n");，所以编译并执行这段C语言代码，得到如下输出：
# gcc t.c
# ./a.out
hello world
到这里，相信读者已经发现，在C语言程序开发中，#include实际上就是把头文件里的内容复制到对应的位置。
避免C语言代码重复包含头文件
今天在我的交流群里有个小伙伴在编写C语言程序时，遇到了自己无法解决的错误。为了讨论主题，我把他的问题简化：创建 test.h 文件，并在其中定义一个全局变量：
// test.h 文件
int global_val = 0;
然后创建 t1.c 文件，使用 #include 包含该头文件，相应的C语言代码如下，请看：
// t1.c 文件
#include“test.h”
#include "stdio.h"
#include“test.h”
int main()
{
printf("val = %d\n", ++global_val);
return 0;
}
编译这段C语言代码，小伙伴发现编译器报错了：
错误信息提示变量 global_val 被重复定义，但是小伙伴查看自己的代码，发现只有 test.h 里一处定义了变量 global_val，这让他很迷惑。
小伙伴会感到迷惑，主要是因为对C语言的“头文件”机制理解不够深入，他认为只有 test.h 文件一处定义变量 global_val，不可能会导致“重复定义”错误的。
实际上，按照我们上面的分析， #include 包含头文件并没有什么特别的，它只是将头文件里的内容复制到 #include 处而已。知道了这一点，再看小伙伴的C语言代码，就一切明了了：他不小心（也有可能故意）包含了 test.h 文件两次，所以 test.h 文件里的内容会被赋值到 main() 函数之前两次，就相当于：
int global_val = 0;
int global_val = 0;
int main()...
这当然会引发“重复定义”的错误。解决错误的办法很简单，避免头文件被重复包含即可，所以删去一个#include "test.h" 就可以了。不过，我们能够轻易发现头文件被重复包含，是因为这里的代码很简单。如果C语言代码再复杂一点，或者多几层嵌套，就比较难发现头文件被重复包含了。
例如，test1.h 包含了 test2.h 文件，test2.h 文件包含了 test.h 文件。这种情况下，t.c 文件同时包含 test1.h 和 test.h 文件，一样会引起 test.h 文件被重复包含的。
在实际的C语言项目开发中，头文件一般都要加上预编译条件语句，比较常用的有 #ifdef ，#ifndef等。例如，将 test.h 文件做如下修改：
//test.h 文件
#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
int global_val = 0;
#endif
上述C语言代码中的 #ifndef 和 #define 配合，可避免该头文件在同环境中被重复包含。所以即使 t.c 文件中写了多次 #include "test.h"文件，编译器也不会再报错：
// t1.c 文件
#include“test.h”
#include "stdio.h"
#include“test.h”
int main()
{
printf("val = %d\n", ++global_val);
return 0;
}
编译并执行这段C语言代码，可得如下输出：
# gcc t2.c
# ./a.out
val = 1
初学者感到头疼的问题
有的读者知道使用 #ifdef 等条件编译语句避免头文件在同环境被重复包含，但还是有可能写出有问题的C语言程序。下面这个问题也是群里小伙伴提出的，为了讨论主题，我对其做了精简：小伙伴在 test.h 文件和 t1.c 文件的工程基础上，新建了 t2.c 文件，其中 t2.c 文件的内容如下：
// t2.c 文件
#include "test.h"
void add_val()
{
global_val ++;
}
显然，t2.c 文件也包含了 test.h 头文件，并使用了其中定义的 global_val 变量。然后小伙伴在将 add_val() 函数的原型加入 test.h 头文件里：
// test.h 文件
#ifndef __TEST_H__
#define __TEST_H__
int global_val = 0;
void add_val()；
#endif
接着，小伙伴在 t1.c 文件里调用了 add_val() 函数，相关C语言代码如下，请看：
// t1.c 文件
#include <stdio.h>
#include "test.h"
int main()
{
add_val();
printf("val = %d\n", ++global_val);
return 0;
}
写好这些C语言代码后，发现编译报错了，依然是重复定义的错误，小伙伴感到非常迷惑。为什么写了预编译语句，还是出现这种错误呢？
答案其实很简单，预编译条件语句仅作用于同一环境。t1.c 和 t2.c 文件属于两个模块，因此#ifndef 不能避免 test.h 文件被 t1.c 和 t2.c 同时包含，这就会导致 int global_val = 0; 在整个C语言程序中有两处定义，编译器自然会报错。
小结
本文较为详细的介绍了C语言中头文件的性质，并在此基础上，分析了初学者常遇到的两个问题。应明白，在实际的C语言项目开发中，很少有程序员会在头文件里定义全局变量。作为延伸，如果本文中 test.h 文件里的 global_val 定义为 static 变量，那么编译就不会报错了。究竟为什么，以及加上 static 会带来什么样的变化，留给读者自己思考了。
