在项目中,C和C++代码相互调用是很常见的,但在调用时,究竟应该如何编写代码和头文件,有一些讲究,不然就可能出现编译时链接不通过的问题,典型的编译错误日志是:

undefined reference to `xxx'

要编写出C或C++都能正常调用的代码,需要明白编译器在编译时,究竟做了什么。下面就以几段简单的代码为例,来说明一下GCC系列编译器在编译C、C++代码时,分别做了什么,我们该如何编写自己的函数库以供C和C++代码调用。

本文验证的环境是:Ubuntu Server 18.04 LTS,gcc/g++ 7.3.0,nm 2.30

C函数库如何被C和C++代码调用

sum.c是一个使用C代码编写的对整数求和函数,代码非常简单:

 #include "sum.h"

 int sum(int a, int b)
{
return a + b;
}

在不考虑C++的调用时,头文件sum.h通常会按照如下写法:

 #ifndef __SUM_H__
#define __SUM_H__ int sum(int a, int b); #endif /* __SUM_H__ */

我们编写下面的main.cpp代码来调用它:

 #include <iostream>

 #include "sum.h"

 int main(void)
{
std::cout << sum(, ) << std::endl; return ;
}

编译并运行一下看看:

$ g++ -o main main.cpp sum.c
$ ./main

从结果来看,没有任何问题,程序正常编译通过和执行。

但是,如果sum.c是要做成一个库文件,可供C或C++代码调用时,又该如何呢?以静态库为例,sum.c是先编译成.o文件,再和其它的同类文件一起打包到.a中,由于只有一个文件,这里就不把它打包到.a文件了,仅把它生成一个.o文件作为函数库看一下:

$ gcc -c sum.c
$ g++ -o main main.cpp sum.o
/tmp/ccNnKecX.o: In function `main':
main.cpp:(.text+0xf): undefined reference to `sum(int, int)'
collect2: error: ld returned exit status

从上述输出可以看到,链接是不能通过的。编译器告诉我们,这个引用没有定义。但我们都知道,sum函数是真实存在的。出现这种问题的原因,在于C++是支持面向对象的,函数可以重载,为了支持重载,编译时生成的.o文件中,函数名称不会像源文件那样。用nm列出目标文件中的符号,就可以看到真实的情况:

$ nm sum.o
T sum
$ g++ -c main.cpp
$ nm main.o
U __cxa_atexit
U __dso_handle
U _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
t _GLOBAL__sub_I_main
T main
U _Z3sumii
000000000000003d t _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
U _ZNSolsEi
U _ZNSolsEPFRSoS_E
U _ZNSt8ios_base4InitC1Ev
U _ZNSt8ios_base4InitD1Ev
U _ZSt4cout
U _ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_
r _ZStL19piecewise_construct
b _ZStL8__ioinit

从上面的输出中,我们可以看到,用gcc命令编译生成的sum.o,包含有一个符号sum。但是用g++编译出来的main.o,它里面引用到sum函数时,用的名字其实是_Z3sumii,这个就是g++编译器对C++代码做的处理。由于sum.o中并没有_Z3sumii函数,链接当然要失败。

那么,为什么一开始的命令g++ -o main main.cpp sum.c能正常生成可执行文件呢,因为在这条命令执行时,对sum.c也当作是C++代码来处理的,我们可以对sum.c调用g++命令来验证一下:

$ g++ -c sum.c
$ nm sum.o
T _Z3sumii

可见,对于C源文件,调用g++命令时,是把C代码视作C++来处理的。对于C++文件去调用gcc命令,又当如何呢?有兴趣的可以自行尝试一下,这里就不再展开了,仅给出一个规则:

  • 对于C代码,使用gcc命令去编译,让编译器按C代码的规则来处理,这样便于其它C代码调用,如果按照C++代码处理了,虽然C++调用是方便了,但其它C代码调用就麻烦了
  • 对于C++代码,使用g++命令编译,按C++的规则处理

知道了编译器会做什么后,我们看一下如何让C++调用C函数库。查看系统库的标准头文件,我们会看到很多这样的代码:

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

其实,extern "C"就是告诉编译器,使用extern "C"修饰的代码是用C的目标文件格式来编译的,这样符号名称就是按照C的命令规则去查找和生成。extern "C"有两种形式,一种是修饰单行语句的,例如:

extern "C" int sum(int a, int b);

这种形式可以单独写在某个源代码文件中,但不常见。另一种是对整块代码做修饰,例如:

extern "C" {
int sum(int a, int b);
...
}

为什么系统头文件要加#ifdef __cplusplus呢,因为C编译器不认识extern "C",如果插入这个,C编译器就要报错,所以,只应该对C++代码这么定义,由于在编译C++代码时,编译器会自动定义宏__cplusplus,因此,就可以利用这个宏来做条件编译。现在,我们把sum.h改造成:

 #ifndef __SUM_H__
#define __SUM_H__ #ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif int sum(int a, int b); #ifdef __cplusplus
}
#endif #endif /* __SUM_H__ */

然后,重新使用原来报错的命令试试:

$ gcc -c sum.c
$ g++ -o main main.cpp sum.o
$ ./main

这样就成功了。总结下来,就是C头文件中,加上extern "C" {}这样的声明,并对C代码仍是按C语言的方式编译,这样做,C或C++代码调用都没有问题。
extern "C"还有另一个用法,有些已经存在的C函数库及其头文件,并没有做这样的处理,那C++代码又当如何引用呢?答案是在C++代码中,按照如下方式编写代码:

extern {
#include "C_header.h"
}

C代码如何调用C++的函数

这里,仍旧使用相同的示例来说明,只是反过来,sum.cpp如下:

#include "sum.h"

int sum(int a, int b)
{
return a + b;
}

sum.h如下:

#ifndef __SUM_H__
#define __SUM_H__ #ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif int sum(int a, int b); #ifdef __cplusplus
}
#endif #endif /* __SUM_H__ */

main.c如下:

 #include <stdio.h>

 #include "sum.h"

 int main(void)
{
printf("%d\n", sum(, )); return ;
}

编译运行结果如下:

$ g++ -c sum.cpp
$ nm sum.o
T sum
$ gcc -o main main.c sum.o
$ ./main

从这里仍可以看到,extern "C"在起作用,如果把extern "C"的部分去掉,再编译时,就会看到链接不过的提示:

$ g++ -c sum.cpp
$ nm sum.o
T _Z3sumii
$ gcc -o main main.c sum.o
/tmp/ccJkz0dn.o: In function `main':
main.c:(.text+0xf): undefined reference to `sum'
collect2: error: ld returned exit status

解决此问题的最简单办法,就是对main.c调用g++命令,由于C++对C的兼容性,这样做完全不成问题:

$ g++ -o main main.c sum.o
$ ./main

当然,这只适用于非成员函数,如果想在C代码中调用成员函数,由于涉及到类,需要额外的包装,这里,我们把这个函数放在一个类Math里,作为一个静态成员函数来演示,非静态成员函数的情况更麻烦,建议直接使用C++代码来处理后,再包装成静态成员的方式做转换,示例的math.h:

 class Math {
public:
static int sum(int a, int b);
};

示例的math.cpp:

 #include "math.h"

 int Math::sum(int a, int b)
{
return a + b;
}

编写的包装器头文件math_wrapper.h:

 #ifndef __MATH_WRAPPER_H__
#define __MATH_WRAPPER_H__ #ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif int sum(int a, int b); #ifdef __cplusplus
}
#endif #endif /* __MATH_WRAPPER_H__ */

包装器代码math_wrapper.cpp:

 #include "math.h"
#include "math_wrapper.h" int sum(int a, int b)
{
return Math::sum(a, b);
}

编译上述代码并查看符号:

$ g++ -c math.cpp
$ nm math.o
$ g++ -c math_wrapper.cpp
$ nm math_wrapper.o
U _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
T sum
U _ZN4Math3sumEii

我们可以看到,math_wrapper.o把符号成功地转换了,写个main.c调用一下:

#include <stdio.h>

#include "math_wrapper.h"

int main(void)
{
printf("%d\n", sum(, )); return ;
}

编译运行毫无问题:

$ gcc -o main main.c math_wrapper.o math.o
$ ./main

基本思路就是:对已经按照C++的方式生成的C++库,用C++写个包装器来引用它的函数,但命名规则使用C的方式处理,这样就把函数转换成C代码可以调用的了,如果函数重载了,就写多个函数来转换。

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