C++ 名称修饰

什么是名称修饰？

在开始我们的C++编程之旅时，你可能注意到了一个奇怪的现象：有时候在调试程序或查看链接错误时，会看到一些奇怪的函数名称，比如_Z3addii而不是我们实际编写的add。这就是名称修饰（Name Mangling）的结果。

名称修饰是编译器为了支持函数重载、类成员函数、命名空间等C++特性，对函数和变量的名称进行转换的过程，使它们在目标文件中具有唯一标识符。

备注

C++标准并没有规定名称修饰的具体实现方式，因此不同的编译器可能会使用不同的修饰规则。

为什么需要名称修饰？

假设我们有两个同名但参数不同的函数：

cpp
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

double add(double a, double b) {
    return a + b;
}

在C语言中，这是不允许的，因为C不支持函数重载。但在C++中，我们可以通过参数类型来区分同名函数。为了实现这一点，编译器必须给每个函数一个唯一的名称，这就是名称修饰的主要目的。

名称修饰的工作原理

名称修饰的基本原理是将函数的额外信息（如参数类型、命名空间、类等）编码到函数名中，形成一个唯一的标识符。

以下是几种常见的情况：

1. 函数重载

cpp
// 源代码
int func(int a);
int func(int a, int b);
int func(double a);

// 可能的修饰后名称（以GCC为例）
_Z4funci      // func(int)
_Z4funcii     // func(int, int)
_Z4funcd      // func(double)

2. 类成员函数

cpp
// 源代码
class MyClass {
public:
    void method();
    static void staticMethod();
};

// 可能的修饰后名称
_ZN7MyClass6methodEv     // MyClass::method()
_ZN7MyClass12staticMethodEv  // MyClass::staticMethod()

3. 命名空间

cpp
// 源代码
namespace MyNamespace {
    int func(int a);
}

// 可能的修饰后名称
_ZN11MyNamespace4funcEi  // MyNamespace::func(int)

C++ 与C的名称修饰差异

C语言不支持函数重载，因此不需要名称修饰。C函数编译后的名称与源代码中基本相同（可能前缀一个下划线）。

例如，以下C函数：

c
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

编译后可能为_add或简单的add。

而对应的C++函数可能被修饰为_Z3addii。

在C++与C混合编程中的应用

当我们需要在C++代码中调用C函数，或者在C代码中调用C++函数时，名称修饰会导致链接错误。这时，我们需要使用extern "C"来告诉C++编译器不要对指定的函数进行名称修饰。

在C++中调用C函数

cpp
// C头文件 math.h
int add(int a, int b);

// C++代码
extern "C" {
    #include "math.h"
}

int main() {
    int result = add(5, 3); // 正确调用C函数
    return 0;
}

让C++函数能被C调用

cpp
// C++头文件 math.hpp
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

int multiply(int a, int b);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

// C++实现
extern "C" int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

// C代码可以直接调用multiply函数

实际案例：解析链接错误

考虑以下场景：你有一个C库和一个C++应用程序，想要在C++程序中使用C库的函数。

C库 (math_lib.h):

c
// math_lib.h
int calculate(int a, int b);

// math_lib.c
int calculate(int a, int b) {
    return a * b + a;
}

C++应用程序:

cpp
// main.cpp
#include "math_lib.h"

int main() {
    int result = calculate(5, 3);
    return 0;
}

编译时可能会出现以下错误：

undefined reference to '_Z9calculateii'

这是因为C++编译器对calculate函数进行了名称修饰，而C库中的函数没有经过修饰。解决方法是使用extern "C"：

cpp
// main.cpp
extern "C" {
    #include "math_lib.h"
}

int main() {
    int result = calculate(5, 3); // 现在可以正常工作
    return 0;
}

如何查看修饰后的名称

你可以使用一些工具来查看编译后的符号名称：

在Linux上（使用GCC/Clang）

使用nm命令查看目标文件中的符号：

bash
$ g++ -c example.cpp
$ nm example.o

在Windows上（使用MSVC）

使用dumpbin命令：

bash
> dumpbin /SYMBOLS example.obj

解析名称修饰（Demangling）

GCC提供了c++filt工具来解析修饰后的名称：

bash
$ c++filt _Z3addii
add(int, int)

使用`extern "C"`的注意事项

extern "C"只能在C++代码中使用，C编译器不认识这个语法。
使用extern "C"的函数不能使用C++特有的特性，如函数重载。
类成员函数不能直接声明为extern "C"，因为类是C++特有的概念。

cpp
class MyClass {
public:
    extern "C" void method(); // 错误！
};

可以对整个头文件使用extern "C"，但要注意条件编译：

cpp
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

// C兼容的函数声明

#ifdef __cplusplus
}
#endif

不同编译器的名称修饰规则

不同编译器的名称修饰规则可能完全不同，这也是为什么使用不同编译器编译的C++库往往不兼容的原因之一。

以下是几个常见编译器的名称修饰示例（对于函数int add(int, int)）：

GCC/Clang: _Z3addii
Microsoft Visual C++: ?add@@YAHHH@Z
Borland C++: @add$qii

总结

名称修饰是C++实现函数重载等特性的关键机制，但也导致了与C语言的兼容性问题。通过理解名称修饰的工作原理和使用extern "C"，我们可以更有效地进行C++与C的混合编程。

关键点回顾：

名称修饰是C++编译器为函数和变量创建唯一标识符的过程
C++支持函数重载等特性，需要名称修饰；C语言不需要
使用extern "C"可以防止C++编译器对函数进行名称修饰
不同编译器有不同的名称修饰规则
在混合编程中正确处理名称修饰是避免链接错误的关键

练习

尝试编写一个包含重载函数的简单C++程序，编译后使用适当的工具查看修饰后的名称。
创建一个简单的C库和一个调用该库的C++程序，使用extern "C"确保它们能正常链接。
尝试分析以下修饰后的名称代表什么函数：_ZN9Namespace5Class10methodNameEiPc

扩展阅读

如果你对更多C++与C交互的主题感兴趣，可以研究以下内容：

ABI（应用二进制接口）兼容性
C++异常在C/C++混合代码中的处理
跨语言对象模型和对象传递

什么是名称修饰？​

为什么需要名称修饰？​

名称修饰的工作原理​

1. 函数重载​

2. 类成员函数​

3. 命名空间​

C++ 与C的名称修饰差异​

在C++与C混合编程中的应用​

在C++中调用C函数​

让C++函数能被C调用​

实际案例：解析链接错误​

如何查看修饰后的名称​

在Linux上（使用GCC/Clang）​

在Windows上（使用MSVC）​

解析名称修饰（Demangling）​

使用extern "C"的注意事项​

不同编译器的名称修饰规则​

总结​

练习​