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[C++知识库]初识C++ 函数重载以及背后的原理

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

我们可能对函数很是熟悉,但是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;
}

现在老板看张三的代码立马火了,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…吧.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？好神奇啊，我要好好看看书．

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到会应用就可以了,但是对于我们来说需要我们看看他们的原理,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;
}

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.

预处理宏替换头文件展开注释替换 main.cpp -> main.i test.cpp -> test.i
编译检查语法 ,代码变换成汇编语言 main.i -> main.s test.i -> test.s
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
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,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.在编译和汇编的过程中存在一个符号表,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.

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这个点,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: ?),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,所以编译器知道了func是一个函数.就先给它一个无效的地址.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

到这里就可以明白了,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文件有时都不可能编译过.

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++为何可以支持函数重载

到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的符号表里面去碰,那么只要我们看看重载的函数名像不像同就可以了,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…】,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++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++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.

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;
}

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语言不会啊,所以他们就不会碰到一起,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;
}

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;
}

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函数一编译的时候就完成函数名依照C语言来说.这就很简单了.

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
	#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

这样就解决了.

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.

#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);
}

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;
}