C/C++学习笔记（十二）extern的详解

extern是C/C++语言中表明函数和全局变量作用范围（可见性）的关键字。它告诉编译器，其声明的函数和变量可以在本模块或其它模块中使用。extern可以置于变量或者函数前，以标示变量或者函数的定义在别的文件中，提示编译器遇到此变量和函数时在其他模块中寻找其定义。另外，extern也可用来进行链接指定。

C/C++的编译与运行

要想彻底明白extern是怎么回事，首先应该知道C＋＋生成可执行代码的过程。C＋＋生成可执行代码的全过程要经过几个步骤，依次是：

预处理（处理宏定义、头文件等）===>>>编译、优化（这里生成的是中间代码，比如说用汇编代码当中间代码，那么生成的就是汇编语言组成的汇编程序）===>>>汇编（汇编后生存机器语言代码）===>>>链接（生成可执行文件） ，详细如下：

1、预处理：预处理器（preprocessor）是一个简单的程序，它用程序员（利用预处理器指令）定义好的模式代替源代码中的模式（删除注释、包含其他文件以及执行宏），预处理后生成中间文件.i（文本）。

2、编译、优化：接下来对于.i文件进行语法分析。编译器把源代码分解成小的单元并把它们按树形结构组织起来。表达式中“A + B”中的“A”、“+”和“B”就是语法分析树的叶子节点。语法分析树建立后有时会根据用户定义，使用全局优化器（global optimizer）来生成更短、更快的代码。优代完成之后，还需要使用代码生成器（code generator）遍历语法分析树，把树的每个节点转化成汇编语言，这个期间保存为中间文件.s（汇编语言 文本）。之后根据用户定义可以使用窥孔优化器（peephole optimizer）从相邻一段代码中查找冗余汇编语句。

3、汇编： 接下来使用汇编器将汇编源文件翻译成对应的机器指令，而且还写入一些东西与机器指令打包成可重新定位目标程序格式的文件，生成中间文件.o（目标文件 二进制）。

4、链接：最后使用连接器（linker）把一组目标模块连接成为一个可执行程序（最终文件.exe），简单的讲，把目标的库文件和所需要的引用的静、动态链接库进行链接，即需要把其他静态库合成到可执行文件中，转换相应的符号引用为地址，然后确保所引用的其他动态链接库的符号存在。此外，链接器还要完成程序中各目标文件的地址空间的组织，这可能设计重定位工作。大多数现代操作系统都提供静态链接和动态链接两种形式。

extern为何而生

现在以外部变量的声明作为线索来探讨一下extern到底是为何而生的以及它有何编译、链接有什么关系。

现代编译器一般采用按文件编译的方式，因此在编译时，各个文件中定义的全局变量是互相不透明的。也就是说，在编译时，全局变量的可见域限制在文件内部。
下面举一个简单的例子，创建一个工程，里面含有A.cpp和B.cpp两个简单的C++源文件：

//A.cpp
int i;
int main()
{
}
//B.cpp
int i;

这两个文件极为简单，在A.cpp中我们定义了一个全局变量i，在B中我们也定义了一个全局变量i。我们对A和B分别编译，都可以正常通过编译，但是进行链接的时候，却出现了错误，错误提示如下：

Linking...
B.obj : error LNK2005: "int i" (?i@@3HA) already defined in A.obj
Debug/A.exe : fatal error LNK1169: one or more multiply defined symbols found
Error executing link.exe.
A.exe - 2 error(s), 0 warning(s)

这就是说，在编译阶段，各个文件中定义的全局变量相互是不透明的，编译A时觉察不到B中也定义了i，同样，编译B时觉察不到A中也定义了i。但是到了链接阶段，要将各个文件的内容“合为一体”，因此，如果某些文件中定义的全局变量名相同的话，在这个时候就会出现错误，也就是上面提示的重复定义的错误。因此，各个文件中定义的全局变量名不可相同。
在链接阶段，各个文件的内容（实际是编译产生的obj文件）是被合并到一起的，因而，定义于某文件内的全局变量，在链接完成后，它的可见范围被扩大到了整个程序。
这样一来，按道理说，一个文件中定义的全局变量，可以在整个程序的任何地方被使用，然而把上面代码修改为如下所示，却依然编译报错：

//A.cpp
int main()
{
    i = 100; //试图使用B中定义的全局变量
}
//B.cpp
int i;

编译结果如下：

Compiling...
A.cpp
C:\Documents and Settings\wangjian\桌面\try extern\A.cpp(5) : error C2065: 'i' : undeclared identifier
Error executingcl.exe.
A.obj - 1 error(s), 0 warning(s)

其实出现这个错误是意料之中的，因为文件中定义的全局变量的可见性扩展到整个程序是在链接完成之后，而在编译阶段，他们的可见性仍局限于各自的文件。编译器的目光不够长远，编译器没有能够意识到，某个变量符号虽然不是本文件定义的，但是它可能是在其它的文件中定义的。
虽然编译器不够有远见，但是我们可以给它提示，帮助它来解决上面出现的问题。这就是extern的作用了。extern的原理很简单，就是告诉编译器：“你现在编译的文件中，有一个标识符虽然没有在本文件中定义，但是它是在别的文件中定义的全局变量，你可以使用。”于是上面代码可以修改为：

//A.cpp
extern int i;
int main()
{
    i = 100; //试图使用B中定义的全局变量
}
//B.cpp
int i;

顺利通过编译，链接。

extern修饰函数声明

其实上面的模块同时介绍了extern修饰外部变量的声明，从本质上来讲，变量和函数没有区别。函数名是指向函数二进制块开头处的指针。如果文件a.c需要引用b.c中的函数，比如在b.c中原型是int fun(int mu)，那么就可以在a.c中声明extern int fun（int mu），然后就能使用fun来做任何事情。就像变量的声明一样，extern int fun（int mu）可以放在a.c中任何地方，而不一定非要放在a.c的文件作用域的范围中。

对其他模块中函数的引用，最常用的方法是包含这些函数声明的头文件。使用extern和包含头文件来引用函数有什么区别呢？extern的引用方式比包含头文件要简洁得多！extern的使用方法是直接了当的，想引用哪个函数就用extern声明哪个函数。这大概是KISS原则的一种体现吧！这样做的一个明显的好处是，会加速程序的编译（确切的说是预处理）的过程，节省时间。在大型C程序编译过程中，这种差异是非常明显的。

在下面的模块中还要介绍更多的extern与函数之间的实例。

extern "C" 

C++语言的创建初衷是“a better C”，但是这并不意味着C++中类似C语言的全局变量和函数所采用的编译和连接方式与C语言完全相同。作为一种欲与C兼容的语言，C++保留了一部分过程式语言的特点（被世人称为“不彻底地面向对象”），因而它可以定义不属于任何类的全局变量和函数。但是，C++毕竟是一种面向对象的程序设计语言，为了支持函数的重载，C++对全局函数的处理方式与C有明显的不同，先来一个例子：

#ifndef __INCvxWorksh
#define __INCvxWorksh
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*...*/
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* __INCvxWorksh */

显然，头文件中的编译宏“#ifndef __INCvxWorksh、#define __INCvxWorksh、#endif” 的作用是防止该头文件被重复引用。下面着重讨论一下extern "C"。

作为一种面向对象的语言，C++支持函数重载，而过程式语言C则不支持。函数被C++编译后在符号库中的名字与C语言的不同。例如，假设某个函数的原型为：void foo( int x, int y );该函数被C编译器编译后在符号库中的名字为_foo，而C++编译器则会产生像_foo_int_int之类的名字（不同的编译器可能生成的名字不同，但是都采用了相同的机制，生成的新名字称为“mangled name”）。_foo_int_int这样的名字包含了函数名、函数参数数量及类型信息，C++就是靠这种机制来实现函数重载的。例如，在C++中，函数void foo( int x, int y )与void foo( int x, float y )编译生成的符号是不相同的，后者为_foo_int_float。同样地，C++中的变量除支持局部变量外，还支持类成员变量和全局变量。用户所编写程序的类成员变量可能与全局变量同名，我们以"."来区分。而本质上，编译器在进行编译时，与函数的处理相似，也为类中的变量取了一个独一无二的名字，这个名字与用户程序中同名的全局变量名字不同。

未加extern "C"声明时的连接方式
假设在C++中，模块A的头文件如下：

// 模块A头文件　moduleA.h
#ifndef MODULE_A_H
#define MODULE_A_H
int foo( int x, int y );
#endif

在模块B中引用该函数：

// 模块B实现文件　moduleB.cpp
#include "moduleA.h"
foo(2,3);

实际上，在连接阶段，连接器会从模块A生成的目标文件moduleA.obj中寻找_foo_int_int这样的符号！

加extern "C"声明后的编译和连接方式
加extern "C"声明后，模块A的头文件变为：

// 模块A头文件　moduleA.h
#ifndef MODULE_A_H
#define MODULE_A_H
extern "C" int foo( int x, int y );
#endif

在模块B的实现文件中仍然调用foo( 2,3 )，其结果是：
（1）模块A编译生成foo的目标代码时，没有对其名字进行特殊处理，采用了C语言的方式；

（2）连接器在为模块B的目标代码寻找foo(2,3)调用时，寻找的是未经修改的符号名_foo。

如果在模块A中函数声明了foo为extern "C"类型，而模块B中包含的是extern int foo( int x, int y ) ，则模块B找不到模块A中的函数；反之亦然。所以，可以用一句话概括extern “C”这个声明的真实目的： 实现C++与C及其它语言的混合编程。

extern "C"的惯用法

明白了C++中extern "C"的设立动机，我们下面来具体分析extern "C"通常的使用技巧：

（1）在C++中引用C语言中的函数和变量

在C++中引用C语言中的函数和变量，在包含C语言头文件（假设为cExample.h）时，需进行下列处理：

extern "C"
{
#include "cExample.h"
}

而在C语言的头文件中，对其外部函数只能指定为extern类型，C语言中不支持extern "C"声明，在.c文件中包含了extern "C"时会出现编译语法错误。C++引用C函数例子工程中包含的三个文件的源代码如下：

/*c语言头文件：cExample.h */
#ifndef C_EXAMPLE_H
#define C_EXAMPLE_H
extern int add(int x,int y);
#endif

/*c语言实现文件：cExample.c */
#include "cExample.h"
int add( int x, int y )
{
return x + y;
}

//c++实现文件，调用add：cppFile.cpp
extern "C"
{
#include "cExample.h"
}
int main(int argc, char* argv[])
{
add(2,3);
return 0;
}

如果C++调用一个C语言编写的.DLL时，当包括.DLL的头文件或声明接口函数时，应加extern "C" {　}。

（2）c语言中引用C++中的函数和变量

在C++引用C语言中的函数和变量时，C++的头文件需添加extern "C"，但是在C语言中不能直接引用声明了extern "C"的该头文件，应该仅将C文件中将C++中定义的extern "C"函数声明为extern类型。C引用C++函数例子工程中包含的三个文件的源代码如下：

//C++头文件 cppExample.h
#ifndef CPP_EXAMPLE_H
#define CPP_EXAMPLE_H
extern "C" int add( int x, int y );
#endif

//C++实现文件 cppExample.cpp
#include "cppExample.h"
int add( int x, int y )
{
return x + y;
}

/* C实现文件 cFile.c
/* 这样会编译出错：#include "cppExample.h" */
extern int add( int x, int y );
int main( int argc, char* argv[] )
{
add( 2, 3 );
return 0;
}

第一个程序的解读

#ifdef __cplusplus
extern "C" { 
#endif 
... 
#ifdef __cplusplus
} 
#endif 

1、c++中默认定义了__cplusplus，C语言中没有该定义，即：识别是c代码还是c++代码，这符合上面第一种使用情况的结论。如下段代码：

2、C语言和C++编译出来的函数不用，调用extern "C"会让c++编译器按照c的编译格式来编译，多用于c++库的头文件，这也符合上面的结论。