C++中extern “C”含义深层探索

[c++]代码库
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。
 
#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。
 
　　被extern "C"限定的函数或变量是extern类型的；
 
　　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，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。
 
　　与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。
 
　　被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 )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（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++与C及其它语言的混合编程。
　　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。
　　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）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。对第4节给出的示例代码，需要特别留意各个细节。
 
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 
extern "C"的主要作用就是为了能够正确实现C++代码调用其他C语言代码。加上extern "C"后，会指示编译器这部分代码按C语言的进行编译，而不是C++的。由于C++支持函数重载，因此编译器编译函数的过程中会将函数的参数类型也加到编译后的代码中，而不仅仅是函数名；而C语言并不支持函数重载，因此编译C语言代码的函数时不会带上函数的参数类型，一般之包括函数名。
 
     这个功能十分有用处，因为在C++出现以前，很多代码都是C语言写的，而且很底层的库也是C语言写的，为了更好的支持原来的C代码和已经写好的C语言库，需要在C++中尽可能的支持C，而extern "C"就是其中的一个策略。
 
这个功能主要用在下面的情况：
 
1、C++代码调用C语言代码
 
2、在C++的头文件中使用
 
3、在多个人协同开发时，可能有的人比较擅长C语言，而有的人擅长C++，这样的情况下也会有用到
 
给出一个我设计的例子：
 
moduleA、moduleB两个模块，B调用A中的代码，其中A是用C语言实现的，而B是利用C++实现的，下面给出一种实现方法：
 
//moduleA头文件
 
#ifndef __MODULE_A_H //对于模块A来说，这个宏是为了防止头文件的重复引用
 
#define __MODULE_A_H
 
int fun(int, int);
 
#endif
 
//moduleA实现文件moduleA.C //模块A的实现部分并没有改变
 
#include"moduleA"
 
int fun(int a, int b)
 
{
 
return a+b;
 
}
 
//moduleB头文件
 
#idndef __MODULE_B_H //很明显这一部分也是为了防止重复引用
 
#define __MODULE_B_H
 
#ifdef __cplusplus //而这一部分就是告诉编译器，如果定义了__cplusplus(即如果是cpp文件， extern "C"{ //因为cpp文件默认定义了该宏),则采用C语言方式进行编译
 
#include"moduleA.h"
 
#endif
 
… //其他代码
 
#ifdef __cplusplus
 
}
 
#endif
 
#endif
 
//moduleB实现文件 moduleB.cpp //B模块的实现也没有改变，只是头文件的设计变化了
 
#include"moduleB.h"
 
int main()
 
{
 
cout<<fun(2,3)<<endl;
 
}
 
下面是详细的介绍：
 
由于C、C++编译器对函数的编译处理是不完全相同的，尤其对于C++来说，支持函数的重载，编译后的函数一般是以函数名和形参类型来命名的。
 
例如函数void fun(int, int)，编译后的可能是（不同编译器结果不同）_fun_int_int(不同编译器可能不同，但都采用了类似的机制，用函数名和参数类型来命名编译后的函数名)；而C语言没有类似的重载机制，一般是利用函数名来指明编译后的函数名的，对应上面的函数可能会是_fun这样的名字。
 
看下面的一个面试题：为什么标准头文件都有类似的结构？
 
#ifndef __INCvxWorksh /*防止该头文件被重复引用*/
 
#define __INCvxWorksh
 
#ifdef __cplusplus             //告诉编译器，这部分代码按C语言的格式进行编译，而不是C++的
 
extern "C"{
 
#endif
 
/*…*/
 
#ifdef __cplusplus
 
}
 
#endif
 
#endif /*end of __INCvxWorksh*/
 
分析：
 
显然，头文件中编译宏"#ifndef __INCvxWorksh 、#define __INCvxWorksh、#endif"（即上面代码中的蓝色部分）的作用是为了防止该头文件被重复引用
那么
#ifdef __cplusplus (其中__cplusplus是cpp中自定义的一个宏！！！)
 
extern "C"{
 
#endif
 
#ifdef __cplusplus
 
}
 
#endif
 
的作用是什么呢？
 
extern "C"包含双重含义，从字面上可以知道，首先，被它修饰的目标是"extern"的；其次，被它修饰的目标代码是"C"的。
 
被extern "C"限定的函数或变量是extern类型的
extern是C/C++语言中表明函数和全局变量的作用范围的关键字，该关键字告诉编译器，其申明的函数和变量可以在本模块或其他模块中使用。
 
记住，下面的语句：
 
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，否则会出错。
 
通常来说，在模块的头文件中对本模块提供给其他模块引用的函数和全局变量以关键字extern生命。例如，如果模块B要引用模块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，但并不会报错；它会在链接阶段从模块A编译生成的目标代码中找到该函数。
 
extern对应的关键字是static，static表明变量或者函数只能在本模块中使用，因此，被static修饰的变量或者函数不可能被extern C修饰。
 
被extern "C"修饰的变量和函数是按照C语言方式进行编译和链接的：这点很重要！！！！
上面也提到过，由于C++支持函数重载，而C语言不支持，因此函数被C++编译后在符号库中的名字是与C语言不同的；C++编译后的函数需要加上参数的类型才能唯一标定重载后的函数，而加上extern "C"后，是为了向编译器指明这段代码按照C语言的方式进行编译
 
未加extern "C"声明时的链接方式：
 
//模块A头文件 moduleA.h
 
#idndef _MODULE_A_H
 
#define _MODULE_A_H
 
int foo(int x, int y);
 
#endif
 
在模块B中调用该函数：
 
//模块B实现文件 moduleB.cpp
 
#include"moduleA.h"
 
foo(2,3);
 
实际上，在链接阶段，连接器会从模块A生成的目标文件moduleA.obj中找_foo_int_int这样的符号！！！，显然这是不可能找到的，因为foo()函数被编译成了_foo的符号，因此会出现链接错误。
 
常见的做法可以参考下面的一个实现：
 
moduleA、moduleB两个模块，B调用A中的代码，其中A是用C语言实现的，而B是利用C++实现的，下面给出一种实现方法：
 
//moduleA头文件
 
#ifndef __MODULE_A_H //对于模块A来说，这个宏是为了防止头文件的重复引用
 
#define __MODULE_A_H
 
int fun(int, int);
 
#endif
 
//moduleA实现文件moduleA.C //模块A的实现部分并没有改变
 
#include"moduleA"
 
int fun(int a, int b)
 
{
 
return a+b;
 
}
 
//moduleB头文件
 
#idndef __MODULE_B_H //很明显这一部分也是为了防止重复引用
 
#define __MODULE_B_H
 
#ifdef __cplusplus //而这一部分就是告诉编译器，如果定义了__cplusplus(即如果是cpp文件， extern "C"{ //因为cpp文件默认定义了该宏),则采用C语言方式进行编译
 
#include"moduleA.h"
 
#endif
 
… //其他代码
 
#ifdef __cplusplus
 
}
 
#endif
 
#endif
 
//moduleB实现文件 moduleB.cpp //B模块的实现也没有改变，只是头文件的设计变化了
 
#include"moduleB.h"
 
int main()
 
{
 
cout<<fun(2,3)<<endl;
 
}
 
extern "C"的使用要点
 
1. 可以是单一语句
 
    extern "C" double sqrt(double);
 
2. 可以是复合语句, 相当于复合语句中的声明都加了extern "C"
 
    extern "C"
 
   {
 
      double sqrt(double);
 
      int min(int, int);
 
  }
 
3.可以包含头文件，相当于头文件中的声明都加了extern "C"
 
   extern "C"
 
  {
 
    ＃i nclude <cmath>
 
  }
 
4. 不可以将extern "C" 添加在函数内部
 
5. 如果函数有多个声明，可以都加extern "C", 也可以只出现在第一次声明中，后面的声明会接受第一个链接指示符的规则。
 
6. 除extern "C", 还有extern "FORTRAN" 等。
 
参考文章：
 
extern C使用
 
extern c的作用【转】_看雪..
 
extern C使用要点
 
http://blog.chinaunix.net/u/29619/showart_230148.html
 
http://blog.csdn.net/weiqubo/archive/2009/10/16/4681813.aspx
 
http://hi.baidu.com/sundl2268/blog/item/4969453d2258bae53c6d970a.html
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