extern “C“ 的作用、C++ 和 C 编译的不同、C++ 编译过程的五个主要阶段

在 C++ 中，如果需要从 C 语言导入函数或与 C 代码交互，需要使用 extern "C" 关键字。这是因为 C++ 和 C 在编译过程中的 符号命名机制（即 "名称修饰" 或 "name mangling"）不同。

1. extern "C" 的作用

extern "C" 关键字的主要作用是告诉 C++ 编译器，所包含的函数或变量使用的是 C 语言的命名和链接规则，而不是 C++ 的。这对于编译和链接 C++ 代码与 C 代码特别重要，因为 C++ 编译器在编译函数时会进行名称修饰，而 C 编译器不会。

C++ 名称修饰 ：C++ 支持函数重载、类成员函数等复杂的功能，因此 C++ 编译器会对函数名进行编码，以区分同名的不同函数。这个过程称为 名称修饰（name mangling）。

而 C 语言不支持函数重载，其编译器不会对函数名进行修饰，保持函数名的简单性。因此，为了在 C++ 中使用 C 编写的函数，必须使用 extern "C" 来告知 C++ 编译器使用 C 语言的链接规则。

2. extern "C" 的用法

导入单个 C 函数

extern "C" {

void my_c_function(int a);

}

这段代码告诉 C++ 编译器，my_c_function 函数是用 C 语言实现的，并且在编译时应遵循 C 语言的符号命名规则。

导入多个 C 函数

可以将多个函数的声明包含在 extern "C" 块中：

extern "C" {

void my_c_function1(int a);

int my_c_function2(double b);

}

导入 C 头文件

如果你想在 C++ 中包含一个由 C 编写的头文件，可以使用 extern "C" 包装整个头文件的内容：

extern "C" {

#include "my_c_header.h"

}

或者，头文件本身可以被修改，使用条件编译保证其既可以在 C++ 中使用，也可以在 C 中使用：

#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif

// C 函数声明

void my_c_function(int a);

#ifdef __cplusplus

}

#endif

在这种情况下，当头文件在 C++ 中被包含时，extern "C" 生效，而在 C 中编译时则不受影响。

3. C++ 和 C 编译的不同

3.1. 名称修饰（Name Mangling）

如前所述，C++ 编译器会对函数名进行名称修饰，以支持函数重载、命名空间和类成员函数等特性。名称修饰使得同一个函数名可以根据其参数、命名空间等特征进行区分。C 编译器则不做名称修饰，所有的函数名在编译后保持原样。

C++ 名称修饰示例：

在 C++ 中，编译器可能会将函数 int my_function(int) 的名字修饰成 _Z11my_functioni，其中包括函数名和参数类型的编码。

C 函数名示例：

在 C 语言中，函数 int my_function(int) 仍然保持为简单的 my_function。

名称修饰的影响：

• C++ 中的函数重载：C++ 支持函数重载，因此会为每个重载的函数生成不同的修饰名称。
• C 函数命名：由于 C 不支持函数重载，所有函数的名称在编译时保持唯一，编译器不需要进行名称修饰。

3.2. 链接规则

• C 链接：C 编译器在链接时只需要处理简单的函数名称。
• C++ 链接：C++ 编译器在链接时需要处理名称修饰后的符号，因而 C++ 函数可以根据参数、类、命名空间等进行链接。

3.3. 语言特性

• C++ 编译器：处理复杂的 C++ 语言特性，如类、模板、命名空间、异常处理、虚函数等。C++ 代码在编译时往往比 C 代码复杂得多。
• C 编译器：处理 C 语言的相对简单的语法和功能，不需要考虑面向对象的特性。

4. extern "C" 的使用场景

• C++ 调用 C 函数 ：当你在 C++ 代码中需要使用 C 库时，必须通过 extern "C" 来确保 C++ 编译器按照 C 的方式处理函数的链接。典型场景包括使用 C 编写的系统库、第三方库（如 POSIX、OpenSSL 等）。
• C++ 提供 C 接口 ：如果你编写了 C++ 库，且需要提供给 C 语言使用，那么可以通过 extern "C" 来导出 C 风格的接口，使 C 语言能够调用 C++ 编译的库。

示例：C++ 调用 C 函数

假设有一个 C 编写的函数 my_c_function：

// my_c_code.c

#include <stdio.h>

void my_c_function(int a) {

printf("Value: %d\n", a);

}

在 C++ 中调用这个 C 函数时，需要使用 extern "C"：

// my_cpp_code.cpp

extern "C" {

void my_c_function(int a);

}

int main() {

my_c_function(10); // 调用C函数

return 0;

}

示例：C++ 提供 C 接口

// my_cpp_code.cpp

extern "C" {

void my_cpp_function(int a);

}

void my_cpp_function(int a) {

// C++ 实现

std::cout << "C++ Function: " << a << std::endl;

}

这个函数可以被 C 代码调用，因为它的符号遵循 C 的规则。

总结

1. extern "C"：用于告诉 C++ 编译器按照 C 的方式处理函数的链接，使 C++ 和 C 代码能够互相调用。
2. C++ 编译和 C 编译的不同 ：
   • 名称修饰：C++ 编译器会进行名称修饰，以支持函数重载和其他高级功能，而 C 编译器不会。
   • 链接规则：C++ 链接时处理更复杂的符号，而 C 语言保持简单的函数名。
3. 常见使用场景 ：
   • C++ 调用 C 库时需要 extern "C"。
   • 提供 C++ 库接口给 C 语言使用时，也需要使用 extern "C"。

C++ 程序从编写代码到生成可执行的二进制文件，通常经历以下 五个步骤 ，即：编写代码 、预处理 、编译 、汇编 和链接。每个步骤都会转换或处理代码，最终生成一个可执行文件。

C++ 编译过程的五个主要阶段

1. 编写代码（Source Code Writing）
2. 预处理（Preprocessing）
3. 编译（Compilation）
4. 汇编（Assembly）
5. 链接（Linking）

1. 编写代码（Source Code Writing）

这是程序员编写的 C++ 源代码，通常使用文件扩展名 .cpp 或 .h。C++ 源文件可能包含类、函数、数据结构和其他逻辑。

• 源文件 ：例如 main.cpp, MyClass.cpp, MyClass.h。

2. 预处理（Preprocessing）

预处理是编译的第一个阶段，C++ 编译器中的 预处理器 会处理所有以 # 开头的指令，如 #include, #define 等。这一步的主要任务是处理宏替换、文件包含和条件编译指令。

主要任务：

• 文件包含 ：将 #include 的头文件内容插入源文件。
• 宏替换 ：将所有宏定义（通过 #define 定义的内容）替换为对应的值。
• 条件编译 ：根据条件指令如 #ifdef、#endif 等执行代码的保留或忽略。
• 注释删除 ：删除所有的注释内容，包括单行注释 // 和多行注释 /* ... */。

预处理后的文件 仍然是文本文件，通常称为 扩展文件，但它包含了所有展开的宏、包含的头文件等。

预处理示例：

#include <iostream>

#define MAX 100

int main() {

std::cout << MAX << std::endl;

return 0;

}

预处理后变成：

// 假设 <iostream> 已被展开

// 省略头文件展开的内容...

int main() {

std::cout << 100 << std::endl; // 宏 MAX 被替换为 100

return 0;

}

3. 编译（Compilation）

在这一步，编译器 将预处理后的源代码文件（仍然是人类可读的 C++ 代码）转换为 中间代码 ，通常称为 汇编代码。汇编代码是面向特定硬件架构的一种低级别语言，但仍然是人类可读的符号代码。

编译的过程：

• 语法分析：编译器对源代码进行语法分析，确保代码符合 C++ 的语法规则。
• 语义分析：检查代码的逻辑是否合理，比如类型检查、变量是否已声明等。
• 生成汇编代码：编译器根据目标架构将 C++ 代码转换为汇编语言。

编译后的文件 ：通常以 .s 为扩展名，它仍然是人类可读的汇编代码。

编译示例：

int main() {

int a = 10;

return a;

}

编译后的汇编代码（示例）：

.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions

.globl _main

_main: ## @main

.cfi_startproc

%bb.0:

pushq %rbp

.cfi_def_cfa_offset 16

.cfi_offset %rbp, -16

movq %rsp, %rbp

movl $10, %eax

popq %rbp

retq

.cfi_endproc

4. 汇编（Assembly）

汇编器（Assembler）将编译生成的汇编代码转换为机器码 （Machine Code），也称为 目标文件（Object File）。目标文件是特定于目标机器的二进制文件，但还不是完整的可执行文件，因为它可能仍然有外部依赖（比如其他模块中的函数）。

汇编的过程：

• 将汇编代码转换为机器指令，这些指令是计算机 CPU 可以直接理解并执行的二进制代码。

目标文件：

• 汇编器生成的目标文件通常具有 .o（Unix/Linux/Mac 系统）或 .obj（Windows 系统）扩展名。
• 每个 C++ 源文件都会生成一个对应的目标文件。

示例： 一个目标文件内部包含计算机能执行的机器代码（无法直接展示二进制内容）。

5. 链接（Linking）

链接器（Linker）将多个目标文件和库文件组合起来，生成最终的可执行文件。链接器的主要任务是解决符号引用，即将函数调用和全局变量的引用链接到其实际定义上。

链接的过程：

• 符号解析：链接器会将各个目标文件中的未解析的符号（如函数、全局变量等）与其他目标文件或库中定义的符号进行匹配。
• 库链接：如果程序使用了外部库（如标准库、动态库或静态库），链接器会将这些库与目标文件链接起来。
• 生成可执行文件：链接器最终生成一个完整的二进制可执行文件，该文件可以直接在目标平台上运行。

链接示例：

g++ main.o MyClass.o -o my_program

这条命令会将 main.o 和 MyClass.o 链接在一起，生成可执行文件 my_program。

6. 可执行文件（Executable File）

生成的可执行文件是二进制文件，包含了最终的机器代码以及所有的依赖库和符号。这个文件可以在目标系统上直接运行。

• Linux 和 Mac 系统的可执行文件没有特定的扩展名，通常通过运行 ./my_program 执行。
• Windows 系统上的可执行文件通常有 .exe 扩展名，可以通过双击或命令行运行。

可视化编译过程

编译过程中的工具

• 预处理器 ：负责处理 # 开头的预处理指令（如 #include, #define）。
• 编译器 ：将 C++ 代码翻译为汇编代码（如 g++、clang）。
• 汇编器 ：将汇编代码转为机器码，生成目标文件（如 as）。
• 链接器 ：负责将目标文件链接成可执行文件（如 ld）。

编译选项

在编译时可以使用一些编译器选项来控制不同的阶段。例如，使用 GCC 时：

• -E：只执行预处理，不编译。
• -S：将 C++ 代码编译成汇编代码，生成 .s 文件。
• -c：只编译，不链接，生成目标文件 .o。
• -o：指定生成的可执行文件的名称。

总结

C++ 程序从代码到可执行文件的过程是通过预处理、编译、汇编和链接这几个步骤完成的。每个阶段都有特定的任务，最终生成可以在目标平台上运行的二进制文件。