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最近，有同事向我多次問及C++關于編譯鏈接方面的問題，包括如下：

1：什么樣的函數(shù)以及變量可以定義在頭文件中

2：extern "C"的作用

3：防止重復包含的宏的作用

4：函數(shù)之間是怎么鏈接起來的

我認為，這些問題不難，書上基本上都有，但要是沒有真正思考過，就憑死記硬背，也就是只能“嘴上說說”而已，遇到問題還真棘手，所以我覺得有必要說一下。

C/C++的編譯鏈接過程

其實，“編譯”這個詞大多數(shù)時候，我們指的是由一堆.h,.c,.cpp文件生成鏈接庫或者可執(zhí)行文件的過程。但是拿C/C++來說，其實這是很模糊的，由一堆C/C++文件生成應用程序包括預處理---編譯文件---鏈接(寫的比較粗糙，不影響本文論述)。

首先，要明白什么是編譯單元，一個編譯單元可以認為是一個.c或者.cpp文件，每一個編譯單元首先會經(jīng)過預處理得到一個臨時的編譯單元，這里稱為tmp.cpp，預處理會把.c或者.cpp直接或者間接包含的其它文件(不只局限于.h文件，只要是#include即可)的內(nèi)容替換進來，并展開宏調(diào)用等。

下面首先看一個例子：

a.h

#ifndef A_H_ #define A_H_ static int a = 1; void fun(); #endif

a.cpp

#include "a.h"static void hello_world() { }

只有a.h和a.cpp這兩個文件，及其簡單。首先通過g++的-E參數(shù)得到a.cpp預處理之后的內(nèi)容

coderchen@coderchen:~/c++$ g++ -E a.cpp > tmp.cpp

查看tmp.cpp

# 1 "a.cpp" # 1 "<built-in>" # 1 "<command-line>" # 1 "a.cpp" # 1 "a.h" 1static int a = 1; void fun(); # 2 "a.cpp" 2static void hello_world() { }tmp.cpp就是只經(jīng)過預處理得到的文件，這個文件才是編譯器能夠真正看到的文件。這個過程就是 預處理。

其中#define A_H_的作用是防止重復包含a.h這個頭文件，很多人都知道這一點，但是再仔細問，我見過大多數(shù)人都說不清楚。

這種宏是為了防止一個編譯單元(cpp文件)重復包含同一個頭文件。它在預處理階段起作用，預處理器發(fā)現(xiàn)a.cpp內(nèi)已經(jīng)定義過A_H_這個宏的話，在a.cpp中再次發(fā)現(xiàn)#include "a.h"的時候就不會把a.h的內(nèi)容替換進a.cpp了。
編譯器看到tmp.cpp的時候，會編譯成一個obj文件，最后由鏈接器對這一個對obj文件進行鏈接，從而得到可執(zhí)行程序。

編譯錯誤和連接錯誤

編譯錯誤指的是一個cpp編譯單元在編譯時發(fā)生的錯誤，這種錯誤一般都是語法錯誤，拼寫錯誤，參數(shù)不匹配等。

以main.cpp為例(只有一個main函數(shù))

int main() { hello_world(); }

編譯(加-c參數(shù)表示只編譯不鏈接)

coderchen@coderchen:~/c++$ g++ -c -o main.o main.cpp main.cpp: In function ‘int main()’: main.cpp:4: error: ‘hello_world’ was not declared in this scope

這種錯誤就是編譯，原因是hello_world函數(shù)未聲明，把void hello_world();這條語句加到main函數(shù)前面，再次編譯

coderchen@coderchen:~/c++$ g++ -c -o main.o main.cpp coderchen@coderchen:~/c++$

編譯成功，雖然我們調(diào)用了hello_world函數(shù)，卻沒有定義這個函數(shù)。好，接下來，我們把這個main.o文件鏈接下，

coderchen@coderchen:~/c++$ g++ -o main main.o main.o: In function `main': main.cpp:(.text+0x7): undefined reference to `hello_world()' collect2: ld returned 1 exit status

看到了吧，鏈接器ld報出了鏈接錯誤，原因是hello_world這個函數(shù)找不到。這個例子很簡單，基本上可以區(qū)分出編譯錯誤和鏈接錯誤。我們再添加一個hello_world.cpp

void hello_world() { }

編譯

coderchen@coderchen:~/c++$ g++ -c -o hello_world.o hello_world.cpp

鏈接

coderchen@coderchen:~/c++之所以$ g++ -o main main.o hello_world.ook，我們的main程序已經(jīng)生成了，我們經(jīng)歷了預處理---編譯---鏈接的過程。

有的人說為什么不需要寫一個hello_world.h的頭文件，聲明hello_world函數(shù)，然后再讓main.cpp包含hello_world.h呢？這樣寫自然是標準的做法，不過預處理過后，和我們現(xiàn)在寫的一樣的，預處理會把hello_world.h的內(nèi)容替換到main.cpp中。

問題：在鏈接的時候，main.o怎么知道hello_world函數(shù)定義在hello_world.o中呢？

答案：main.o不知道hello_world函數(shù)定義在那個obj文件中，每個obj文件都有一個導出符號表，對于這個例子，hello_world.o的導出符號表中有hello_world這個函數(shù)，而main.o需要用到這個函數(shù)，可以想象就像幾個插槽一樣。鏈接器通過掃描obj文件發(fā)現(xiàn)這個函數(shù)定義在hello_world.o中，然后就可以鏈接了。

問題：為什么函數(shù)不能定義在頭文件中？

這個問題是不恰當?shù)?#xff0c;因為用inline和static修飾的函數(shù)可以定義在頭文件中，而inline修飾的函數(shù)必須定義在頭文件中。

如果函數(shù)定義在頭文件中，并且有多個cpp文件都包含了這個頭文件的話，那么這些cpp文件生成的obj文件的導出符號表中都有這個頭文件中定義的函數(shù)，單文件編譯的時候是不會出錯的，但是鏈接的時候就會報錯。鏈接器發(fā)現(xiàn)了多個函數(shù)實體，但卻無法確定應該使用哪一個。這是一個鏈接錯誤。

inline修飾的函數(shù)，通常都不會存在函數(shù)實體，即便編譯器沒有對其內(nèi)聯(lián)，那么obj文件也不會導出inline函數(shù)，所以鏈接不會出錯。

static修飾的函數(shù)，只能由定義它的編譯單元調(diào)用，也不會導出。如果頭文件中頂一個static修飾的函數(shù)，就相當于多個obj文件中都頂一個了一個一模一樣的函數(shù)，大家各用各的，互補干擾。

問題：什么樣的變量可以定義在頭文件中？

其實變量于函數(shù)很類似，由static或const修飾的變量可以定義在頭文件中。

static修飾的變量于static修飾的函數(shù)一樣，道理同上。

const修飾的變量默認是不會進入導出符號表的，相當于每個obj中都定義了一個一模一樣的const變量，各用各的。而const可以再用extern修飾，如果用extern const修飾的變量定義在頭文件中，那么就會出現(xiàn)鏈接錯誤，原因就是“想一想extern是干嘛的”

問題：extern "C"是干嘛的？

如果有人回答“兼容C和C++”，我只能說“這是一個正確答案，但我不知道你是否真的知道”。

首先要知道C不支持重載，C++支持重載，C++為了支持重載，引入了函數(shù)重命名的機制，就像下面這樣：

int hello_world(type1 param); int hello_world(type2 param);
通常第一個函數(shù)會被編譯成hello_world_type1這樣子，第二個函數(shù)會被編譯成hello_world_type2這樣子。 不管是定義的地方還是調(diào)用的地方，都會把函數(shù)改成同樣的名字，所以鏈接器可以正確的找到函數(shù)實體。

而我們寫C++程序的時候，通常會引入由c編寫的庫(gcc編譯的c文件)，而c不支持重載，自然不會對函數(shù)重命名。而我們在C++中調(diào)用的地方很可能會重命名，這就造成了調(diào)用的地方(C++編譯)和定義的地方(C編譯)函數(shù)名不一致的情況，這也是一種鏈接錯誤。

所以我們經(jīng)常會看到在C++中用extern "C" { #include "some_c.h" }這種代碼。這就是告訴c++編譯器，some_c.h中的函數(shù)要按照c的方式編譯，不要重命名，這樣在鏈接的時候就ok了。



總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C++编译链接的那些小事的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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