C++中extern “C”含义深层探索

1.引言

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。

2.从标准头文件说起

某企业曾经给出如下的一道面试题:

面试题:为什么标准头文件都有类似以下的结构?

#ifndef __INCvxWorksh

#define __INCvxWorksh

#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif

/*...*/

#ifdef __cplusplus

}

#endif

#endif /* __INCvxWorksh */

分析

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。

那么

#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif

#ifdef __cplusplus

}

#endif

的作用又是什么呢?我们将在下文一一道来。

3.深层揭密extern "C"

extern "C" 包含双重含义,从字面上即可得到:首先,被它修饰的目标是“extern”的;其次,被它修饰的目标是“C”的。让我们来详细解读这两重含义。

extern "C"限定的函数或变量是extern类型的;

externC/C++语言中表明函数和全局变量作用范围(可见性)的关键字,该关键字告诉编译器,其声明的函数和变量可以在本模块或其它模块中使用。记住,下列语句:

extern int a;

仅仅是一个变量的声明,其并不是在定义变量a,并未为a分配内存空间。变量a在所有模块中作为一种全局变量只能被定义一次,否则会出现连接错误。

通常,在模块的头文件中对本模块提供给其它模块引用的函数和全局变量以关键字extern声明。例如,如果模块B欲引用该模块A中定义的全局变量和函数时只需包含模块A的头文件即可。这样,模块B中调用模块A中的函数时,在编译阶段,模块B虽然找不到该函数,但是并不会报错;它会在连接阶段中从模块A编译生成的目标代码中找到此函数。

extern对应的关键字是static,被它修饰的全局变量和函数只能在本模块中使用。因此,一个函数或变量只可能被本模块使用时,其不可能被extern “C”修饰。

extern "C"修饰的变量和函数是按照C语言方式编译和连接的;

未加extern “C”声明时的编译方式

首先看看C++中对类似C的函数是怎样编译的。

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 )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!

extern "C"声明后的编译和连接方式

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fooextern "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(任何语言中的任何语法特性的诞生都不是随意而为的,来源于真实世界的需求驱动。我们在思考问题时,不能只停留在这个语言是怎么做的,还要问一问它为什么要这么做,动机是什么,这样我们可以更深入地理解许多问题):

实现C++C及其它语言的混合编程。

明白了C++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。

4.extern "C"的惯用法

1)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。

笔者编写的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addcppFile.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)在C中引用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。

笔者编写的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 "cExample.h" */

extern int add( int x, int y );

int main( int argc, char* argv[] )

{

add( 2, 3 );

return 0;

}

如果深入理解了第3节中所阐述的extern "C"在编译和连接阶段发挥的作用,就能真正理解本节所阐述的从C++引用C函数和C引用C++函数的惯用法。

ConstConst函数,Const变量,函数后面的Const

看到const 关键字,C++程序员首先想到的可能是const 常量。这可不是良好的条件反射。如果只知道用const 定义常量,那么相当于把火药仅用于制作鞭炮。const 更大的魅力是它可以修饰函数的参数、返回值,甚至函数的定义体。

const constant 的缩写,恒定不变的意思。被const 修饰的东西都受到强制保护,可以预防意外的变动,能提高程序的健壮性。所以很多C++程序设计书籍建议:“Use const whenever you need”

1.const 修饰函数的参数

如果参数作输出用,不论它是什么数据类型,也不论它采用指针传递还是引用传递,都不能加const 修饰,否则该参数将失去输出功能。const 只能修饰输入参数:

如果输入参数采用指针传递,那么加const 修饰可以防止意外地改动该指针,起到保护作用。

例如StringCopy 函数:

void StringCopy(char *strDestination, const char *strSource);

其中strSource 是输入参数,strDestination 是输出参数。给strSource 加上const修饰后,如果函数体内的语句试图改动strSource 的内容,编译器将指出错误。

如果输入参数采用值传递,由于函数将自动产生临时变量用于复制该参数,该输入参数本来就无需保护,所以不要加const 修饰。

例如不要将函数void Func1(int x) 写成void Func1(const int x)。同理不要将函数void Func2(A a) 写成void Func2(const A a)。其中A 为用户自定义的数据类型。

对于非内部数据类型的参数而言,象void Func(A a) 这样声明的函数注定效率比较底。因为函数体内将产生A 类型的临时对象用于复制参数a,而临时对象的构造、复制、析构过程都将消耗时间。

为了提高效率,可以将函数声明改为void Func(A &a),因为引用传递仅借用一下参数的别名而已,不需要产生临时对象。但是函数void Func(A &a) 存在一个缺点:

引用传递有可能改变参数a,这是我们不期望的。解决这个问题很容易,加const修饰即可,因此函数最终成为void Func(const A &a)

以此类推,是否应将void Func(int x) 改写为void Func(const int &x),以便提高效率?完全没有必要,因为内部数据类型的参数不存在构造、析构的过程,而复制也非常快,值传递引用传递的效率几乎相当。

问题是如此的缠绵,我只好将“const &”修饰输入参数的用法总结一下。

 

对于非内部数据类型的输入参数,应该将值传递的方式改为“const 引用传递,目的是提高效率。例如将void Func(A a) 改为void Func(const A &a)

 

对于内部数据类型的输入参数,不要将值传递的方式改为“const 引用传递。否则既达不到提高效率的目的,又降低了函数的可理解性。例如void Func(int x) 不应该改为void Func(const int &x)

2 const 修饰函数的返回值

如果给以指针传递方式的函数返回值加const 修饰,那么函数返回值(即指针)的内容不能被修改,该返回值只能被赋给加const 修饰的同类型指针。例如函数

const char * GetString(void);

如下语句将出现编译错误:

char *str = GetString();

正确的用法是

const char *str = GetString();

如果函数返回值采用值传递方式,由于函数会把返回值复制到外部临时的存储单元中,加const 修饰没有任何价值。

例如不要把函数int GetInt(void) 写成const int GetInt(void)

同理不要把函数A GetA(void) 写成const A GetA(void),其中A 为用户自定义的数据类型。

如果返回值不是内部数据类型,将函数A GetA(void) 改写为const A & GetA(void)的确能提高效率。但此时千万千万要小心,一定要搞清楚函数究竟是想返回一个对象的拷贝还是仅返回别名就可以了,否则程序会出错。

函数返回值采用引用传递的场合并不多,这种方式一般只出现在类的赋值函数中,目的是为了实现链式表达。

例如:

class A

{

A & operate = (const A &other); // 赋值函数

};

A a, b, c; // a, b, c A 的对象

a = b = c; // 正常的链式赋值

(a = b) = c; // 不正常的链式赋值,但合法

如果将赋值函数的返回值加const 修饰,那么该返回值的内容不允许被改动。上例中,语句 a = b = c 仍然正确,但是语句 (a = b) = c 则是非法的。

3 const 成员函数

任何不会修改数据成员的函数都应该声明为const 类型。如果在编写const 成员函数时,不慎修改了数据成员,或者调用了其它非const 成员函数,编译器将指出错误,这无疑会提高程序的健壮性。以下程序中,类stack 的成员函数GetCount 仅用于计数,从逻辑上讲GetCount 应当为const 函数。编译器将指出GetCount 函数中的错误。

class Stack

{

public:

void Push(int elem);

int Pop(void);

int GetCount(void) const; // const 成员函数

private:

int m_num;

int m_data[100];

};

int Stack::GetCount(void) const

{

++ m_num; // 编译错误,企图修改数据成员m_num

Pop(); // 编译错误,企图调用非const 函数

return m_num;

}

const 成员函数的声明看起来怪怪的:const 关键字只能放在函数声明的尾部,大概是因为其它地方都已经被占用了。

关于Const函数的几点规则:

a. const对象只能访问const成员函数,而非const对象可以访问任意的成员函数,包括const成员函数.

b. const对象的成员是不可修改的,然而const对象通过指针维护的对象却是可以修改的.

c. const成员函数不可以修改对象的数据,不管对象是否具有const性质.它在编译时,以是否修改成员数据为依据,进行检查.

e. 然而加上mutable修饰符的数据成员,对于任何情况下通过任何手段都可修改,自然此时的const成员函数是可以修改它的.

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