C++函数重载及其背后的原理

时间：2022-07-07 00:44:09

写在前面

先说说我的状态吧，五一假期五天假，这些天都在玩，很少学习，我不是后悔，也没必要，本来假期就是为了让自己放松.我唯一要反思看到别人在学,我心里也想学但是却做不到,这是我的缺点,后面我会克服的.尽量快点和大家分享知识.今天和大家分享的是C++关于函数重载的关系,我们不仅仅需要学会重载的使用,更要了解C++为什么支持函数重载.

函数重载

我们已经对函数很是熟悉了,但是函数重载又是什么意思呢?我们先来用一个具体的场景来分享.

一天，张三的老板要你写一个两位数相加的函数,张三心想这不很简单吗?手指一动,结果就出来了,挺简单的嘛.

int add(int x, int y) { return x + y; }

老板看到张三的代码立马生气了,你是怎么想的,要是我想12,10.9相加呢?你这个就只能两个整型相加,回去修改!!!张三听到老板的话不由得反驳道:这怎么改,总不能再写一个add1,add2...老板听到了张三的嘟囔,生气道,你没有学过函数重载吗?看看下面的代码,回去好好学习学习,基础都不扎实.张三看到代码,不由大吃一惊,C++还可以这么写？

int add(int x, int y) { return x + y; } double add(double x, int y) { return x + y; } double add(int x, double y) { return x + y; }

我们可不希望张三这种事发生在我们身上，先来看看函数重载的定义

函数重载:是函数的一种特殊情况，C++允许在同一作用域中声明几个功能类似的同名函数，这些同名函数的形参列表(参数个数 或 类型 或 顺序)必须不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题 .

可能大家不喜欢看定义,我这里给一个总结.函数重载要满足下面的要求.

  • 函数名相同
  • 参数的类型,个数,顺序有一个不同就可以了
  • 返回类型不做要求

函数重载的原理

一般情况下,我们知道了函数重载以及会应用就可以了,但是对于我们来说需要知道他们的原理.为什么C语言不支持重载，C++支持重载?这些都是问题.

为何C++可以支持重载

我们先用C++的编译器简单的看看如何执行程序,下面是我在Linux环境下使用g++来完成的,大家要是不太懂,可以先不管,直接理解C++的原理．我们先来看看现象,发现C++可以精准的找到需要匹配的函数，这是我们所疑惑的．

// test.h
#pragma once 
#include <iostream>
#include <stdio.h>

using std::cout;
void func(int a, double b);
void func(double a, int b);
//test.cpp

#include "test.h"
//写两个函数   函数形成重载
void func(int a, double b)
{
  printf("%d %lf", a, b);
}

void func(double a, int b)
{
  printf("%lf %d", a, b);
}


//Mian.cpp

#include "test.h"
int main()
{
  func(10, 2.20);
  return 0;
}

C++函数重载及其背后的原理

C++函数重载及其背后的原理

C++函数重载及其背后的原理

程序的编译链接

关于这一点,我们先简单的说说,之前我们详细的谈过.一个文件变成一个可执行程序需要经过下面4个步骤.

  1. 预处理 宏替换 头文件展开 注释替换 main.cpp -> main.i test.cpp -> test.i
  2. 编译 检查语法 ,代码变换成汇编语言 main.i -> main.s test.i -> test.s
  3. 汇编 汇编语言变成二进制语言,各个文件变成目标文件 main.s -> main.o test.s -> test.o
  4. 链接 多个目标文件+链接库发生链接

这里我们需要重点谈谈链接部分,这是我们今天最重要的一部分

链接就仅仅只是目标文件的合并吗?不是的,它要完成的任务很多,其中最重要的就是找到函数的地址,链接对应上,合并到一起

当我们进行过头文件的展开后,Main.cpp中有func函数的声明和调用.每一个源文件在编译和汇编的过程中产生一个符号表,这个符号表记录了函数的定义以及相应的映射.这是很重要的.符号表里面包含了函数名和函数的地址.每一个目标文件(.o)都包含一个符号表和一系列指令,我们看看入和完成函数链接.

C++函数重载及其背后的原理

现在到mian.o的指令这里了,前面的一些列指令都正常经行,直到它遇到了func这个函数,要是看过C语言的汇编语言的朋友们可能对下面的比较熟悉.

到了func这里,编译器开始call (func: ?),此时编译器不知道func的地址,但是前面头文件的的展开中func函数已经声明了,这是一个函数,所以编译器知道了func是一个函数.就先给它一个暂时无效的地址.当程序进行链接时,编译器一看它是一个无效地址,会拿函数名和其他的.o文件里面的符号表去碰,碰到了就填上,找不到就会报连接错误.

C语言为何不支持重载

C语言中,当我们拿函数名去碰的时候,符号表里面存在多个相同的函数名,编译器就不会识别该用哪个.更何况存在相同函数名的.c文件都不可能编译过.gcc对函数名都不会做任何处理,这也是C语言不支持函数重载的原因.

C++函数重载及其背后的原理

C++为何可以支持函数重载

这里我们就可以得到了结果,既然在链接的时候无效的函数会拿函数名去其他目标文件的符号表里面去碰,那么只要我们看看重载的函数名相不相同就可以了,大家可能会有些疑惑,重载的函数名不是相同的吗?是的,但是C++编译器会做一定的处理.这里每个编译器都有自己的函数名修饰规则 这就是C++ 支持重载的原理.

这就是C++可以支持重载的原因,g++的函数修饰后变成【_Z+函数名长度+函数名+类型首字母1+类型首字母2...】,这也是我们只对参数列表做了要求,对返回值不做要求的原因.

C++函数重载及其背后的原理

C++和C语言相互调用

我们都知道C++支持C语言的大部分语法,C++和C语言可以相互调用吗?实际上是可以的,在一个大型程序中,有的部门可能使用的是C写的的函数,有的部门可能用的C++,要是他们不能相互使用那就打脸了.

创建静态库

我们可以把自己写的代码编译成一个静态库或者动态库,这里我以静态库举例,看看如何在VS中中创建一个静态库.

C++函数重载及其背后的原理

C++调用C

我们已经有了一个C语言的静态库,现在有一个C++的项目需要使用这个静态库,我们该如何使用呢?需要分为下面几个步骤

下面这两张图片都是修改环境的设置,我使用的是VS2013,其他的大概应该差不多,大家依次来修改就可以了.

C++函数重载及其背后的原理

C++函数重载及其背后的原理

到这里我们就可以调用C语言的静态库了,让我们来看看结果吧.

#include "../../Heap/Heap/heap.h"  //相对路径

int main()
{
  MyHeap myHeap;
  InitMyHeap(&myHeap);
  HeapPush(&myHeap, 1);
  HeapPush(&myHeap, 2);
  HeapPush(&myHeap, 3);
  Display(&myHeap);
  return 0;
}

C++函数重载及其背后的原理

这为什么报错?我们不是已经设置好了静态库了吗?实际上这种错误是很容易分析出来的,当C++去调用C语言的函数时,C++会自动修改函数名,当时C语言函数名是没有被修改的,所以函数在寻找的时候就不会碰到一起,链接就会出错.

extern "C"

既然编译器不能自动识别C语言的函数名,我们告诉编译器一下不就可以了吗.extern "C" 就是这种作用.

有时候在C++工程中可能需要将某些函数按照 C 的风格来编译，在函数前加 extern "C"，意思是告诉编译器，将该函数按照 C 语言规则来编译。比如：tcmalloc是google用C++实现的一个项目，他提供tcmallc()和tcfree两个接口来使用，但如果是C项目就没办法使用，那么他就使用extern “C”来解决

extern "C"   // 告知这是C语言的函数声明
{
  #include "../../Heap/Heap/heap.h"
}

int main()
{
  MyHeap myHeap;
  InitMyHeap(&myHeap);
  HeapPush(&myHeap, 1);
  HeapPush(&myHeap, 2);
  HeapPush(&myHeap, 3);
  Display(&myHeap);
  return 0;
}

C++函数重载及其背后的原理

extern "C" 原理

我们需要来看看extern "C" 的原理,使用了extern "C" 后,在C++在进行编译的时候函数名字就依据C语言的方法来修改了,不在变成C++ 的规则.extern "C"可以单独修饰函数,也可以修饰一系列函数,使用代码块.

// test.h
#pragma once 
#include <iostream>
#include <stdio.h>

extern "C" void func(int a, double b);

//test.cpp

#include "test.h"
//写两个函数   函数形成重载
void func(int a, double b)
{
  printf("%d %lf", a, b);
}

//Mian.cpp

#include "test.h"
int main()
{
  func(10, 2.20);
  return 0;
}

C++函数重载及其背后的原理

C语言调用C++

那么C语言可以调用C++ 的吗?可以了,不过也需要一些段来完成.如何让C语言去识别C++的规则呢?这是我们需要考虑的.我们已经把库改成的了C++的静态库了．

#include "../../Heap/Heap/heap.h"


int main()
{
  MyHeap myHeap;
  InitMyHeap(&myHeap);
  HeapPush(&myHeap, 1);
  HeapPush(&myHeap, 2);
  HeapPush(&myHeap, 3);
  Display(&myHeap);
  return 0;
}

C++函数重载及其背后的原理

我们无法让C语言的编译器去识别C++ 的函数的命名,那么我们是不是可以在C++中函数编译的时候就完成函数名依照C语言来说.这就很简单了.

C++函数重载及其背后的原理

但是即使是这样,C语言仍旧会报错,原因在于在头文件展开的时候,C语言根本不识别extern "C",所以我们就需要条件编译了.使用条件编译来修改的静态库的方法如下,需要再次编译.

//方法一
#ifdef __cplusplus    // C++独有的宏
  #define EXTERNC extern "C"
#else 
  #define EXTERNC
#endif


EXTERNC extern void InitMyHeap(MyHeap * pHeap);

EXTERNC extern void HeapPush(MyHeap* pHeap, HPDataType x);
EXTERNC extern bool IsFull(MyHeap* pHeap);
EXTERNC extern bool IsEmpty(MyHeap* pHeap);
EXTERNC extern int HeapSize(MyHeap* pHeap);
EXTERNC extern void adjustDown(MyHeap* pHeap);
EXTERNC extern void adjustUp(MyHeap* pHeap);
EXTERNC extern void Display(MyHeap* pHeap);
EXTERNC extern HPDataType HeapTop(MyHeap* pHeap);
EXTERNC extern void HeapPop(MyHeap* pHeap);

//方法 二
#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif

  extern void InitMyHeap(MyHeap * pHeap);

  extern void HeapPush(MyHeap* pHeap, HPDataType x);
  extern bool IsFull(MyHeap* pHeap);
  extern bool IsEmpty(MyHeap* pHeap);
  extern int HeapSize(MyHeap* pHeap);
  extern void adjustDown(MyHeap* pHeap);
  extern void adjustUp(MyHeap* pHeap);
  extern void Display(MyHeap* pHeap);
  extern HPDataType HeapTop(MyHeap* pHeap);
  extern void HeapPop(MyHeap* pHeap);
#ifdef __cplusplus
}
#endif

C++函数重载及其背后的原理

注意,这里有一点需要注意的,当我们C语言调用C++静态库的时候,最起码我们实际需要的的那部分代码在extern "C"修饰的函数中不能发生重载.

C++ 注意事项

这个注意事项主要是依据extern "C"来谈的,有些比较偏僻的内容需要关注下.

##　extern "C"修饰的函数和一个函数完全一样

在C++中，在extern "C"修饰的函数模块外面存在了一个完全一摸一样的的函数,这个编译器不会给通过的,这一点我们注意就可以了.按照我想的是应该可以过去的,可惜不行.

#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif 

  void func(int a, int b)
  {
    printf("C : %d %d\n", a, b);
  }

#ifdef __cplusplus
}
#endif 
//完全一样
void func(int a, int b)
{
  printf("C : %d %d\n", a, b);
}

C++函数重载及其背后的原理

extern "C"修饰的函数和一个函数构成重载

在extern "C"修饰的函数模块外面一个函数构成重载这种编译器可以通过的,但是extern "C"修饰的命名方法仍旧还是按照C语言的方式,构成重载的是C++的方式.

#include <iostream>
using namespace std;

#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif 

  void func(int a, int b)
  {
    printf("C : %d %d\n", a, b);
  }

#ifdef __cplusplus
}
#endif 

void func(double a, int b)
{
  printf("C++: %lf %d\n", a, b);
}

int main()
{
  func(1, 2);
  func(1.11, 2);
  return 0;
}

C++函数重载及其背后的原理

C++函数重载及其背后的原理

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