通常，在一个 C++ 程序中，只包含两类文件—— .cpp 文件和 .h 文件。其中，.cpp 文件被称作 C++ 源文件，里面放的都是 C++ 的源代码；而 .h 文件则被称作 C++ 头文件，里面放的也是 C++ 的源代码。

C++ 语言支持"分别编译"（separatecompilation）。也就是说，一个程序所有的内容，可以分成不同的部分分别放在不同的 .cpp 文件里。.cpp 文件里的东西都是相对独立的，在编译（compile）时不需要与其他文件互通，只需要在编译成目标文件后再与其他的目标文件做一次链接（link）就行了。比如，在文件 a.cpp 中定义了一个全局函数 "void a(){}"，而在文件 b.cpp 中需要调用这个函数。即使这样，文件 a.cpp 和文件 b.cpp 并不需要相互知道对方的存在，而是可以分别地对它们进行编译，编译成目标文件之后再链接，整个程序就可以运行了。

这是怎么实现的呢？从写程序的角度来讲，很简单。在文件 b.cpp 中，在调用 "void a()" 函数之前，先声明一下这个函数 "voida();"，就可以了。这是因为编译器在编译 b.cpp 的时候会生成一个符号表（symbol table），像 "void a()" 这样的看不到定义的符号，就会被存放在这个表中。再进行链接的时候，编译器就会在别的目标文件中去寻找这个符号的定义。一旦找到了，程序也就可以顺利地生成了。

注意这里提到了两个概念，一个是"定义"，一个是"声明"。简单地说，"定义"就是把一个符号完完整整地描述出来：它是变量还是函数，返回什么类型，需要什么参数等等。而"声明"则只是声明这个符号的存在，即告诉编译器，这个符号是在其他文件中定义的，我这里先用着，你链接的时候再到别的地方去找找看它到底是什么吧。定义的时候要按 C++ 语法完整地定义一个符号（变量或者函数），而声明的时候就只需要写出这个符号的原型了。需要注意的是，一个符号，在整个程序中可以被声明多次，但却要且仅要被定义一次。试想，如果一个符号出现了两种不同的定义，编译器该听谁的？

这种机制给 C++ 程序员们带来了很多好处，同时也引出了一种编写程序的方法。考虑一下，如果有一个很常用的函数 "void f() {}"，在整个程序中的许多 .cpp 文件中都会被调用，那么，我们就只需要在一个文件中定义这个函数，而在其他的文件中声明这个函数就可以了。一个函数还好对付，声明起来也就一句话。但是，如果函数多了，比如是一大堆的数学函数，有好几百个，那怎么办？能保证每个程序员都可以完完全全地把所有函数的形式都准确地记下来并写出来吗？

很显然，答案是不可能。但是有一个很简单地办法，可以帮助程序员们省去记住那么多函数原型的麻烦：我们可以把那几百个函数的声明语句全都先写好，放在一个文件里，等到程序员需要它们的时候，就把这些东西全部 copy 进他的源代码中。

这个方法固然可行，但还是太麻烦，而且还显得很笨拙。于是，头文件便可以发挥它的作用了。所谓的头文件，其实它的内容跟 .cpp 文件中的内容是一样的，都是 C++ 的源代码。但头文件不用被编译。我们把所有的函数声明全部放进一个头文件中，当某一个 .cpp 源文件需要它们时，它们就可以通过一个宏命令 "#include" 包含进这个 .cpp 文件中，从而把它们的内容合并到 .cpp 文件中去。当 .cpp 文件被编译时，这些被包含进去的 .h 文件的作用便发挥了。

举一个例子吧，假设所有的数学函数只有两个：f1 和 f2，那么我们把它们的定义放在 math.cpp 里：

这样，便是一个完整的程序了。需要注意的是，.h 文件不用写在编译器的命令之后，但它必须要在编译器找得到的地方（比如跟 main.cpp 在一个目录下）main.cpp 和 math.cpp 都可以分别通过编译，生成 main.o 和 math.o，然后再把这两个目标文件进行链接，程序就可以运行了。

#include 是一个来自 C 语言的宏命令，它在编译器进行编译之前，即在预编译的时候就会起作用。#include 的作用是把它后面所写的那个文件的内容，完完整整地、一字不改地包含到当前的文件中来。值得一提的是，它本身是没有其它任何作用与副功能的，它的作用就是把每一个它出现的地方，替换成它后面所写的那个文件的内容。简单的文本替换，别无其他。因此，main.cpp 文件中的第一句（#include"math.h"），在编译之前就会被替换成 math.h 文件的内容。即在编译过程将要开始的时候，main.cpp 的内容已经发生了改变：

不多不少，刚刚好。同理可知，如果我们除了 main.cpp 以外，还有其他的很多 .cpp 文件也用到了 f1 和 f2 函数的话，那么它们也通通只需要在使用这两个函数前写上一句 #include "math.h" 就行了。

通过上面的讨论，我们可以了解到，头文件的作用就是被其他的 .cpp 包含进去的。它们本身并不参与编译，但实际上，它们的内容却在多个 .cpp 文件中得到了编译。通过"定义只能有一次"的规则，我们很容易可以得出，头文件中应该只放变量和函数的声明，而不能放它们的定义。因为一个头文件的内容实际上是会被引入到多个不同的 .cpp 文件中的，并且它们都会被编译。放声明当然没事，如果放了定义，那么也就相当于在多个文件中出现了对于一个符号（变量或函数）的定义，纵然这些定义都是相同的，但对于编译器来说，这样做不合法。

所以，应该记住的一点就是，.h头文件中，只能存在变量或者函数的声明，而不要放定义。即，只能在头文件中写形如：extern int a; 和 void f(); 的句子。这些才是声明。如果写上 inta;或者 void f() {} 这样的句子，那么一旦这个头文件被两个或两个以上的 .cpp 文件包含的话，编译器会立马报错。（关于 extern，前面有讨论过，这里不再讨论定义跟声明的区别了。）

但是，这个规则是有三个例外的:

考虑一下，如果头文件中只包含声明语句的话，它被同一个 .cpp 文件包含再多次都没问题——因为声明语句的出现是不受限制的。然而，上面讨论到的头文件中的三个例外也是头文件很常用的一个用处。那么，一旦一个头文件中出现了上面三个例外中的任何一个，它再被一个 .cpp 包含多次的话，问题就大了。因为这三个例外中的语法元素虽然"可以定义在多个源文件中"，但是"在一个源文件中只能出现一次"。设想一下，如果 a.h 中含有类 A 的定义，b.h 中含有类 B 的定义，由于类B的定义依赖了??? A，所以 b.h 中也 #include了a.h。现在有一个源文件，它同时用到了类A和类B，于是程序员在这个源文件中既把 a.h 包含进来了，也把 b.h 包含进来了。这时，问题就来了：类A的定义在这个源文件中出现了两次！于是整个程序就不能通过编译了。你也许会认为这是程序员的失误——他应该知道 b.h 包含了 a.h ——但事实上他不应该知道。