C++中extern “C”含義深層探索

1.引言

　　C++語言的創(chuàng)建初衷是“a better C”，但是這并不意味著C++中類似C語言的全局變量和函數(shù)所采用的編譯和連接方式與C語言完全相同。作為一種欲與C兼容的語言，C++保留了一部分過程式語言的特點（被世人稱為“不徹底地面向?qū)ο蟆保蚨梢远x不屬于任何類的全局變量和函數(shù)。但是，C++畢竟是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，為了支持函數(shù)的重載，C++對全局函數(shù)的處理方式與C有明顯的不同。

　　2.從標準頭文件說起

　　某企業(yè)曾經(jīng)給出如下的一道面試題：

　　面試題

　　為什么標準頭文件都有類似以下的結(jié)構(gòu)？

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

　　分析

　　顯然，頭文件中的編譯宏“#ifndef __INCvxWorksh、#define __INCvxWorksh、#endif” 的作用是防止該頭文件被重復引用。

　　那么

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

　　的作用又是什么呢？我們將在下文一一道來。

　　3.深層揭密extern "C"

　　extern "C" 包含雙重含義，從字面上即可得到：首先，被它修飾的目標是“extern”的；其次，被它修飾的目標是“C”的。讓我們來詳細解讀這兩重含義。

　　被extern "C"限定的函數(shù)或變量是extern類型的；

　　extern是C/C++語言中表明函數(shù)和全局變量作用范圍（可見性）的關(guān)鍵字，該關(guān)鍵字告訴編譯器，其聲明的函數(shù)和變量可以在本模塊或其它模塊中使用。記住，下列語句：

　　extern int a;

　　僅僅是一個變量的聲明，其并不是在定義變量a，并未為a分配內(nèi)存空間。變量a在所有模塊中作為一種全局變量只能被定義一次，否則會出現(xiàn)連接錯誤。

　　通常，在模塊的頭文件中對本模塊提供給其它模塊引用的函數(shù)和全局變量以關(guān)鍵字extern聲明。例如，如果模塊B欲引用該模塊A中定義的全局變量和函數(shù)時只需包含模塊A的頭文件即可。這樣，模塊B中調(diào)用模塊A中的函數(shù)時，在編譯階段，模塊B雖然找不到該函數(shù)，但是并不會報錯；它會在連接階段中從模塊A編譯生成的目標代碼中找到此函數(shù)。

　　與extern對應的關(guān)鍵字是static，被它修飾的全局變量和函數(shù)只能在本模塊中使用。因此，一個函數(shù)或變量只可能被本模塊使用時，其不可能被extern “C”修飾。

　　被extern "C"修飾的變量和函數(shù)是按照C語言方式編譯和連接的；

　　未加extern “C”聲明時的編譯方式

　　首先看看C++中對類似C的函數(shù)是怎樣編譯的。

　　作為一種面向?qū)ο蟮恼Z言，C++支持函數(shù)重載，而過程式語言C則不支持。函數(shù)被C++編譯后在符號庫中的名字與C語言的不同。例如，假設(shè)某個函數(shù)的原型為：

void foo( int x, int y );

　　該函數(shù)被C編譯器編譯后在符號庫中的名字為_foo，而C++編譯器則會產(chǎn)生像_foo_int_int之類的名字（不同的編譯器可能生成的名字不同，但是都采用了相同的機制，生成的新名字稱為“mangled name”）。

　　_foo_int_int這樣的名字包含了函數(shù)名、函數(shù)參數(shù)數(shù)量及類型信息，C++就是靠這種機制來實現(xiàn)函數(shù)重載的。例如，在C++中，函數(shù)void foo( int x, int y )與void foo( int x, float y )編譯生成的符號是不相同的，后者為_foo_int_float。

　　同樣地，C++中的變量除支持局部變量外，還支持類成員變量和全局變量。用戶所編寫程序的類成員變量可能與全局變量同名，我們以"."來區(qū)分。而本質(zhì)上，編譯器在進行編譯時，與函數(shù)的處理相似，也為類中的變量取了一個獨一無二的名字，這個名字與用戶程序中同名的全局變量名字不同。

　　未加extern "C"聲明時的連接方式

　　假設(shè)在C++中，模塊A的頭文件如下：

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

　　在模塊B中引用該函數(shù)：

// 模塊B實現(xiàn)文件　moduleB.cpp
＃i nclude "moduleA.h"
foo(2,3);

　　實際上，在連接階段，連接器會從模塊A生成的目標文件moduleA.obj中尋找_foo_int_int這樣的符號！

　　加extern "C"聲明后的編譯和連接方式

　　加extern "C"聲明后，模塊A的頭文件變?yōu)椋?BR>
// 模塊A頭文件　moduleA.h
#ifndef MODULE_A_H
#define MODULE_A_H
extern "C" int foo( int x, int y );
#endif

　　在模塊B的實現(xiàn)文件中仍然調(diào)用foo( 2,3 )，其結(jié)果是：

　　（1）模塊A編譯生成foo的目標代碼時，沒有對其名字進行特殊處理，采用了C語言的方式；

　　（2）連接器在為模塊B的目標代碼尋找foo(2,3)調(diào)用時，尋找的是未經(jīng)修改的符號名_foo。

　　如果在模塊A中函數(shù)聲明了foo為extern "C"類型，而模塊B中包含的是extern int foo( int x, int y ) ，則模塊B找不到模塊A中的函數(shù)；反之亦然。

　　所以，可以用一句話概括extern “C”這個聲明的真實目的（任何語言中的任何語法特性的誕生都不是隨意而為的，來源于真實世界的需求驅(qū)動。我們在思考問題時，不能只停留在這個語言是怎么做的，還要問一問它為什么要這么做，動機是什么，這樣我們可以更深入地理解許多問題）：

　　實現(xiàn)C++與C及其它語言的混合編程。

　　明白了C++中extern "C"的設(shè)立動機，我們下面來具體分析extern "C"通常的使用技巧。

　　4.extern "C"的慣用法

　　（1）在C++中引用C語言中的函數(shù)和變量，在包含C語言頭文件（假設(shè)為cExample.h）時，需進行下列處理：

extern "C"
{
＃i nclude "cExample.h"
}

　　而在C語言的頭文件中，對其外部函數(shù)只能指定為extern類型，C語言中不支持extern "C"聲明，在.c文件中包含了extern "C"時會出現(xiàn)編譯語法錯誤。

　　筆者編寫的C++引用C函數(shù)例子工程中包含的三個文件的源代碼如下：

/* c語言頭文件：cExample.h */
#ifndef C_EXAMPLE_H
#define C_EXAMPLE_H
extern int add(int x,int y);
#endif
/* c語言實現(xiàn)文件：cExample.c */
＃i nclude "cExample.h"
int add( int x, int y )
{
　return x + y;
}
// c++實現(xiàn)文件，調(diào)用add：cppFile.cpp
extern "C"
{
　＃i nclude "cExample.h"
}
int main(int argc, char* argv[])
{
　add(2,3);
　return 0;
}

　　如果C++調(diào)用一個C語言編寫的.DLL時，當包括.DLL的頭文件或聲明接口函數(shù)時，應加extern "C" {　}。

　　（2）在C中引用C++語言中的函數(shù)和變量時，C++的頭文件需添加extern "C"，但是在C語言中不能直接引用聲明了extern "C"的該頭文件，應該僅將C文件中將C++中定義的extern "C"函數(shù)聲明為extern類型。

　　筆者編寫的C引用C++函數(shù)例子工程中包含的三個文件的源代碼如下：

//C++頭文件 cppExample.h
#ifndef CPP_EXAMPLE_H
#define CPP_EXAMPLE_H
extern "C" int add( int x, int y );
#endif
//C++實現(xiàn)文件 cppExample.cpp
＃i nclude "cppExample.h"
int add( int x, int y )
{
　return x + y;
}
/* C實現(xiàn)文件 cFile.c
/* 這樣會編譯出錯：＃i nclude "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節(jié)中所闡述的extern "C"在編譯和連接階段發(fā)揮的作用，就能真正理解本節(jié)所闡述的從C++引用C函數(shù)和C引用C++函數(shù)的慣用法。對第4節(jié)給出的示例代碼，需要特別留意各個細節(jié)。