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

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。
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。
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

编写代码（Source Code Writing）
预处理（Preprocessing）
编译（Compilation）
汇编（Assembly）
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