詳細(xì)解析extern "C"的底層原理與實(shí)際應(yīng)用

前言

本文詳細(xì)解析extern "C"的底層原理與實(shí)際應(yīng)用。

在你工作過(guò)的系統(tǒng)里，不知能否看到類(lèi)似下面的代碼。

這好像沒(méi)有什么問(wèn)題，你應(yīng)該還會(huì)想：“嗯?是啊，我們的代碼都是這樣寫(xiě)的，從來(lái)沒(méi)有因此碰到過(guò)什么麻煩啊～”。

你說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)，如果你的頭文件從來(lái)沒(méi)有被任何C++程序引用過(guò)的話。

這與C++有什么關(guān)系呢? 看看__cplusplus（注意前面是兩個(gè)下劃線） 的名字你就應(yīng)該知道它與C++有很大關(guān)系。__cplusplus是一個(gè)C++規(guī)范規(guī)定的預(yù)定義宏。

你可以信任的是：所有的現(xiàn)代C++編譯器都預(yù)先定義了它；而所有C語(yǔ)言編譯器則不會(huì)。另外，按照規(guī)范__cplusplus的值應(yīng)該等于1 9 9 7 1 1 L ，然而不是所有的編譯器都照此實(shí)現(xiàn)，比如g++編譯器就將它的值定義為1。

所以，如果上述代碼被C語(yǔ)言程序引用的話，它的內(nèi)容就等價(jià)于下列代碼。

在這種情況下，既然extern "C" { }經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后根本就不存在，那么它和#include指令之間的關(guān)系問(wèn)題自然也就是無(wú)中生有。

extern "C"的前世今生

在C++編譯器里，有一位暗黑破壞神，專(zhuān)門(mén)從事一份稱(chēng)作“名字粉碎”(name mangling)的工作。當(dāng)把一個(gè)C++的源文件投入編譯的時(shí)候，它就開(kāi)始工作，把每一個(gè)它在源文件里看到的外部可見(jiàn)的名字粉碎的面目全非，然后存儲(chǔ)到二進(jìn)制目標(biāo)文件的符號(hào)表里。

之所以在C++的世界里存在這樣一個(gè)怪物，是因?yàn)镃++允許對(duì)一個(gè)名字給予不同的定義，只要在語(yǔ)義上沒(méi)有二義性就好。

比如，你可以讓兩個(gè)函數(shù)是同名的，只要它們的參數(shù)列表不同即可，這就是函數(shù)重載(function overloading)；甚至，你可以讓兩個(gè)函數(shù)的原型聲明是完全相同的，只要它們所處的名字空間(namespace)不一樣即可。

事實(shí)上，當(dāng)處于不同的名字空間時(shí)，所有的名字都是可以重復(fù)的，無(wú)論是函數(shù)名，變量名，還是類(lèi)型名。

另外，C++程序的構(gòu)造方式仍然繼承了C語(yǔ)言的傳統(tǒng)：編譯器把每一個(gè)通過(guò)命令行指定的源代碼文件看做一個(gè)獨(dú)立的編譯單元，生成目標(biāo)文件；然后，鏈接器通過(guò)查找這些目標(biāo)文件的符號(hào)表將它們鏈接在一起生成可執(zhí)行程序。

編譯和鏈接是兩個(gè)階段的事情；事實(shí)上，編譯器和鏈接器是兩個(gè)完全獨(dú)立的工具。編譯器可以通過(guò)語(yǔ)義分析知道那些同名的符號(hào)之間的差別；而鏈接器卻只能通過(guò)目標(biāo)文件符號(hào)表中保存的名字來(lái)識(shí)別對(duì)象。

所以，編譯器進(jìn)行名字粉碎的目的是為了讓鏈接器在工作的時(shí)候不陷入困惑，將所有名字重新編碼，生成全局唯一，不重復(fù)的新名字，讓鏈接器能夠準(zhǔn)確識(shí)別每個(gè)名字所對(duì)應(yīng)的對(duì)象。

但 C語(yǔ)言卻是一門(mén)單一名字空間的語(yǔ)言，也不允許函數(shù)重載，也就是說(shuō)，在一個(gè)編譯和鏈接的范圍之內(nèi)，C語(yǔ)言不允許存在同名對(duì)象。

比如，在一個(gè)編譯單元內(nèi)部，不允許存在同名的函數(shù)，無(wú)論這個(gè)函數(shù)是否用static修飾；在一個(gè)可執(zhí)行程序?qū)?yīng)的所有目標(biāo)文件里，不允許存在同名對(duì)象，無(wú)論它代表一個(gè)全局變量，還是一個(gè)函數(shù)。

所以，C語(yǔ)言編譯器不需要對(duì)任何名字進(jìn)行復(fù)雜的處理（或者僅僅對(duì)名字進(jìn)行簡(jiǎn)單一致的修飾（decoration），比如在名字前面統(tǒng)一的加上單下劃線_）。

C++的締造者Bjarne Stroustrup在最初就把——能夠兼容C，能夠復(fù)用大量已經(jīng)存在的C庫(kù)——列為C++語(yǔ)言的重要目標(biāo)。

但兩種語(yǔ)言的編譯器對(duì)待名字的處理方式是不一致的，這就給鏈接過(guò)程帶來(lái)了麻煩。

例如，現(xiàn)有一個(gè)名為my_handle.h的頭文件，內(nèi)容如下：

然后使用C語(yǔ)言編譯器編譯my_handle.c，生成目標(biāo)文件my_handle.o。

由于C語(yǔ)言編譯器不對(duì)名字進(jìn)行粉碎，所以在my_handle.o的符號(hào)表里，這三個(gè)函數(shù)的名字和源代碼文件中的聲明是一致的。

隨后，我們想讓一個(gè)C++程序調(diào)用這些函數(shù)，所以，它也包含了頭文件my_handle.h。

假設(shè)這個(gè)C++源代碼文件的名字叫my_handle_client.cpp，其內(nèi)容如下：

其中，粗體的部分就是那三個(gè)函數(shù)的名字被粉碎后的樣子。

然后，為了讓程序可以工作，你必須將my_handle.o和my_handle_client.o放在一起鏈接。由于在兩個(gè)目標(biāo)文件對(duì)于同一對(duì)象的命名不一樣，鏈接器將報(bào)告相關(guān)的“符號(hào)未定義”錯(cuò)誤。

為了解決這一問(wèn)題，C++引入了鏈接規(guī)范(linkage specification)的概念，表示法為extern"language string"，C++編譯器普遍支持的"language string"有"C"和"C++"，分別對(duì)應(yīng)C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言。

鏈接規(guī)范的作用是告訴C++編譯：對(duì)于所有使用了鏈接規(guī)范進(jìn)行修飾的聲明或定義，應(yīng)該按照指定語(yǔ)言的方式來(lái)處理，比如名字，調(diào)用習(xí)慣（calling convention）等等。

鏈接規(guī)范的用法有兩種：

1.單個(gè)聲明的鏈接規(guī)范，比如：

extern "C" void foo();

2. 一組聲明的鏈接規(guī)范，比如：

extern "C"
{
void foo();
int bar();
}

對(duì)我們之前的例子而言，如果我們把頭文件my_handle.h的內(nèi)容改成：

然后使用C++編譯器重新編譯my_handle_client.cpp，所生成目標(biāo)文件my_handle_client.o中的符號(hào)表就變?yōu)椋?/p>

從中我們可以看出，此時(shí)，用extern "C" 修飾了的聲明，其生成的符號(hào)和C語(yǔ)言編譯器生成的符號(hào)保持了一致。這樣，當(dāng)你再次把my_handle.o和my_handle_client.o放在一起鏈接的時(shí)候，就不會(huì)再有之前的“符號(hào)未定義”錯(cuò)誤了。

但此時(shí)，如果你重新編譯my_handle.c，C語(yǔ)言編譯器將會(huì)報(bào)告“語(yǔ)法錯(cuò)誤”，因?yàn)閑xtern"C"是C++的語(yǔ)法，C語(yǔ)言編譯器不認(rèn)識(shí)它。此時(shí)，可以按照我們之前已經(jīng)討論的，使用宏__cplusplus來(lái)識(shí)別C和C++編譯器。修改后的my_handle.h的代碼如下：

小心門(mén)后的未知世界

在我們清楚了 extern "C" 的來(lái)歷和用途之后，回到我們本來(lái)的話題上，為什么不能把#include 指令放置在 extern "C" { ... } 里面？

我們先來(lái)看一個(gè)例子，現(xiàn)有a.h，b.h，c.h以及foo.cpp，其中foo.cpp包含c.h，c.h包含b.h，b.h包含a.h，如下：

現(xiàn)使用C++編譯器的預(yù)處理選項(xiàng)來(lái)編譯foo.cpp，得到下面的結(jié)果：

正如你看到的，當(dāng)你把#include指令放置在extern "C" { }里的時(shí)候，則會(huì)造成extern "C" { } 的嵌套。這種嵌套是被C++規(guī)范允許的。當(dāng)嵌套發(fā)生時(shí)，以最內(nèi)層的嵌套為準(zhǔn)。比如在下面代碼中，函數(shù)foo會(huì)使用C++的鏈接規(guī)范，而函數(shù)bar則會(huì)使用C的鏈接規(guī)范。

如果能夠保證一個(gè)C語(yǔ)言頭文件直接或間接依賴(lài)的所有頭文件也都是C語(yǔ)言的，那么按照C++語(yǔ)言規(guī)范，這種嵌套應(yīng)該不會(huì)有什么問(wèn)題。

但具體到某些編譯器的實(shí)現(xiàn)，比如MSVC2005，卻可能由于 extern "C" { } 的嵌套過(guò)深而報(bào)告錯(cuò)誤。

不要因此而責(zé)備微軟，因?yàn)榫瓦@個(gè)問(wèn)題而言，這種嵌套是毫無(wú)意義的。你完全可以通過(guò)把#include指令放置在extern "C" { }的外面來(lái)避免嵌套。

拿之前的例子來(lái)說(shuō)，如果我們把各個(gè)頭文件的 #include 指令都移到extern "C" { } 之外，然后使用C++編譯器的預(yù)處理選項(xiàng)來(lái)編譯foo.cpp，就會(huì)得到下面的結(jié)果：

這樣的結(jié)果肯定不會(huì)引起編譯問(wèn)題的結(jié)果——即便是使用MSVC。

把 #include 指令放置在extern "C" { }里面的另外一個(gè)重大風(fēng)險(xiǎn)是，你可能會(huì)無(wú)意中改變一個(gè)函數(shù)聲明的鏈接規(guī)范。比如：有兩個(gè)頭文件a.h，b.h，其中b.h包含a.h，如下：

按照a.h作者的本意，函數(shù)foo是一個(gè)C++自由函數(shù)，其鏈接規(guī)范為"C++"。但在b.h中，由于#include "a.h"被放到了extern "C" { }的內(nèi)部，函數(shù)foo的鏈接規(guī)范被不正確地更改了。

由于每一條 #include 指令后面都隱藏這一個(gè)未知的世界，除非你刻意去探索，否則你永遠(yuǎn)都不知道，當(dāng)你把一條條#include指令放置于extern "C" { }里面的時(shí)候，到底會(huì)產(chǎn)生怎樣的結(jié)果，會(huì)帶來(lái)何種的風(fēng)險(xiǎn)。

或許你會(huì)說(shuō)，“我可以去查看這些被包含的頭文件，我可以保證它們不會(huì)帶來(lái)麻煩”。但，何必呢？畢竟，我們完全可以不必為不必要的事情買(mǎi)單，不是嗎？

Q & A

Q: 難道任何# i n c l u d e指令都不能放在e x t e r n "C"里面嗎？

A: 正像這個(gè)世界的大多數(shù)規(guī)則一樣，總會(huì)存在特殊情況。

有時(shí)候，你可能利用頭文件機(jī)制“巧妙”的解決一些問(wèn)題。比如，#pragma pack的問(wèn)題。這些頭文件和常規(guī)的頭文件作用是不一樣的，它們里面不會(huì)放置C的函數(shù)聲明或者變量定義，鏈接規(guī)范不會(huì)對(duì)它們的內(nèi)容產(chǎn)生影響。這種情況下，你可以不必遵守這些規(guī)則。

更加一般的原則是，在你明白了這所有的原理之后，只要你明白自己在干什么，那就去做吧。

Q: 你只說(shuō)了不應(yīng)該放入e x t e r n "C"的，但什么可以放入呢？

A: 鏈接規(guī)范僅僅用于修飾函數(shù)和變量，以及函數(shù)類(lèi)型。所以，嚴(yán)格的講，你只應(yīng)該把這三種對(duì)象放置于extern "C"的內(nèi)部。

但，你把C語(yǔ)言的其它元素，比如非函數(shù)類(lèi)型定義（結(jié)構(gòu)體，枚舉等）放入extern "C"內(nèi)部，也不會(huì)帶來(lái)任何影響。更不用說(shuō)宏定義預(yù)處理指令了。

所以，如果你更加看重良好組織和管理的習(xí)慣，你應(yīng)該只在必須使用extern "C"聲明的地方使用它。即使你比較懶惰，絕大多數(shù)情況下，把一個(gè)頭件自身的所有定義和聲明都放置在extern"C"里面也不會(huì)有太大的問(wèn)題。

Q: 如果一個(gè)帶有函數(shù)/變量聲明的C頭文件里沒(méi)有e x t e r n "C"聲明怎么辦？

A: 如果你可以判斷，這個(gè)頭文件永遠(yuǎn)不可能讓C++代碼來(lái)使用，那么就不要管它。

但現(xiàn)實(shí)是，大多數(shù)情況下，你無(wú)法準(zhǔn)確的推測(cè)未來(lái)。你在現(xiàn)在就加上這個(gè)extern "C"，這花不了你多少成本，但如果你現(xiàn)在沒(méi)有加，等到將來(lái)這個(gè)頭文件無(wú)意中被別人的C++程序包含的時(shí)候，別人很可能需要更高的成本來(lái)定位錯(cuò)誤和修復(fù)問(wèn)題。

Q: 如果我的C+ +程序想包含一個(gè)C頭文件a . h，它的內(nèi)容包含了C的函數(shù)/變量聲明，但它們卻沒(méi)有使用e x t e r n "C"鏈接規(guī)范，該怎么辦？

A: 在a.h里面加上它。

某些人可能會(huì)建議你，如果a.h沒(méi)有extern "C"，而b.cpp包含了a.h，可以在b.cpp里加上 ：

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

這是一個(gè)邪惡的方案，原因在之前我們已經(jīng)闡述。但值得探討的是，這種方案這背后卻可能隱含著一個(gè)假設(shè)，即我們不能修改a.h。不能修改的原因可能來(lái)自兩個(gè)方面：

1. 頭文件代碼屬于其它團(tuán)隊(duì)或者第三方公司，你沒(méi)有修改代碼的權(quán)限；

2. 雖然你擁有修改代碼的權(quán)限，但由于這個(gè)頭文件屬于遺留系統(tǒng)，冒然修改可能會(huì)帶來(lái)不可預(yù)知的問(wèn)題。

對(duì) 于第一種情況，不要試圖自己進(jìn)行workaround，因?yàn)檫@會(huì)給你帶來(lái)不必要的麻煩。正確的解決方案是，把它當(dāng)作一個(gè)bug，發(fā)送缺陷報(bào)告給相應(yīng)的團(tuán)隊(duì) 或第三方公司。

如果是自己公司的團(tuán)隊(duì)或你已經(jīng)付費(fèi)的第三方公司，他們有義務(wù)為你進(jìn)行這樣的修改。如果他們不明白這件事情的重要性，告訴他們。如果這些頭文 件屬于一個(gè)免費(fèi)開(kāi)源軟件，自己進(jìn)行正確的修改，并發(fā)布patch給其開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。

在 第二種情況下，你需要拋棄掉這種不必要的安全意識(shí)。

因?yàn)?，首先，?duì)于大多數(shù)頭文件而言，這種修改都不是一種復(fù)雜的，高風(fēng)險(xiǎn)的修改，一切都在可控的范圍之 內(nèi)；

其次，如果某個(gè)頭文件混亂而復(fù)雜，雖然對(duì)于遺留系統(tǒng)的哲學(xué)應(yīng)該是：“在它還沒(méi)有帶來(lái)麻煩之前不要?jiǎng)铀?，但現(xiàn)在麻煩已經(jīng)來(lái)了，逃避不如正視，所以上策 是，將其視作一個(gè)可以整理到干凈合理狀態(tài)的良好機(jī)會(huì)。

Q: 我們代碼中關(guān)于e x t e r n "C"的寫(xiě)法如下，這正確嗎?

A: 不確定。

按照C++的規(guī)范定義，__cplusplus 的值應(yīng)該被定義為199711L，這是一個(gè)非零的值；盡管某些編譯器并沒(méi)有按照規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)，但仍然能夠保證__cplusplus的值為非零——至少我到目前為止還沒(méi)有看到哪款編譯器將其實(shí)現(xiàn)為0。

這種情況下，#if __cplusplus ... #endif完全是冗余的。

但，C++編譯器的廠商是如此之多，沒(méi)有人可以保證某款編譯器，或某款編譯器的早期版本沒(méi)有將__cplusplus的值定義為0。

但即便如此，只要能夠保證宏__cplusplus只在C++編譯器中被預(yù)先定義 ，那么，僅僅使用#ifdef __cplusplus ? #endif就足以確保意圖的正確性；額外的使用#if __cplusplus ... #endif反而是錯(cuò)誤的。

只有在這種情況下：即某個(gè)廠商的C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言編譯器都預(yù)先定義了__cplusplus ，但通過(guò)其值為0和非零來(lái)進(jìn)行區(qū)分，使用#if __cplusplus ... #endif才是正確且必要的。

既然現(xiàn)實(shí)世界是如此復(fù)雜，你就需要明確自己的目標(biāo)，然后根據(jù)目標(biāo)定義相應(yīng)的策略。比如：如果你的目標(biāo)是讓你的代碼能夠使用幾款主流的、正確遵守了規(guī)范的編譯器進(jìn)行編譯，那么你只需要簡(jiǎn)單的使用#ifdef __cplusplus ... #endif就足夠了。

但如果你的產(chǎn)品是一個(gè)雄心勃勃的，試圖兼容各種編譯器的（包括未知的）跨平臺(tái)產(chǎn)品， 我們可能不得不使用下述方法來(lái)應(yīng)對(duì)各種情況 ，其中__ALIEN_C_LINKAGE__是為了標(biāo)識(shí)那些在C和C++編譯中都定義了__cplusplus宏的編譯器。

這應(yīng)該可以工作，但在每個(gè)頭文件中都寫(xiě)這么一大串，不僅有礙觀瞻，還會(huì)造成一旦策略進(jìn)行修改，就會(huì)到處修改的狀況。違反了DRY(Don't Repeat Yourself)原則，你總要為之付出額外的代價(jià)。解決它的一個(gè)簡(jiǎn)單方案是，定義一個(gè)特定的頭文件——比如clinkage.h，在其中增加這樣的定義：

以下舉例中c的函數(shù)聲明和定義分別在cfun.h 和 cfun.c 中，函數(shù)打印字符串 “this is c fun call”，c++函數(shù)聲明和定義分別在cppfun.h 和 cppfun.cpp中，函數(shù)打印字符串 "this is cpp fun call", 編譯環(huán)境vc2010

c++ 調(diào)用 c 的方法（關(guān)鍵是要讓c的函數(shù)按照c的方式編譯，而不是c++的方式）

（1） cfun.h如下：

#ifndef _C_FUN_H_
#define _C_FUN_H_


voidcfun();


#endif

cppfun.cpp 如下：

//#include "cfun.h"  不需要包含cfun.h
#include "cppfun.h"
#include 
using namespace std;
extern "C"     void cfun(); //聲明為 extern void cfun(); 錯(cuò)誤


void cppfun()
{
    cout<<"this is cpp fun call"<
（2）cfun.h同上  cppfun.cpp 如下：
extern "C"
{
    #include "cfun.h"http://注意include語(yǔ)句一定要單獨(dú)占一行;
}
#include "cppfun.h"
#include 
using namespace std;


void cppfun()
{
    cout<<"this is cpp fun call"<

	

	（3）cfun.h如下：

	
#ifndef _C_FUN_H_
#define _C_FUN_H_


#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif


    void cfun();


#ifdef __cplusplus
}
#endif


#endif

	

	cppfun.cpp如下：

	
#include "cfun.h"
#include "cppfun.h"
#include 
using namespace std;


void cppfun()
{
    cout<<"this is cpp fun call"<

	

	c調(diào)用c++（關(guān)鍵是C++ 提供一個(gè)符合 C 調(diào)用慣例的函數(shù)）

	在vs2010上測(cè)試時(shí)，沒(méi)有聲明什么extern等，只在在cfun.c中包含cppfun.h，然后調(diào)用cppfun()也可以編譯運(yùn)行，在gcc下就編譯出錯(cuò)，按照c++/c的標(biāo)準(zhǔn)這種做法應(yīng)該是錯(cuò)誤的。以下方法兩種編譯器都可以運(yùn)行

	cppfun.h如下：

	
#ifndef _CPP_FUN_H_
#define _CPP_FUN_H_


extern "C" void cppfun();




#endif

	

	cfun.c如下：

	
//#include "cppfun.h" //不要包含頭文件，否則編譯出錯(cuò)
#include "cfun.h"
#include 


void cfun()
{
    printf("this is c fun call
");
}


extern void cppfun();


int main()
{
#ifdef __cplusplus
    cfun();
#endif
    cppfun();
    return 0;
}

	

	原文鏈接：https://www.cnblogs.com/TenosDoIt/p/3163621.html

	




	審核編輯：劉清