手把手写C++服务器：C/C++编译链接模型函数重载隐患头文件使用规范

Posted 2021-06-14 沉迷单车的追风少年

前言：C++兼容C，在编译上有明显的体验。有一个流传很久的段子，C/C++程序员逃避工作的正当借口就是：“我的程序正在编译”。对于服务端编程，不管是时间资源还是硬件资源，都非常宝贵，力图做到极致优化。因此了解C/C++编译的前世今生、背后的原理、常见的优化手段，对之后的服务端编程来说非常重要。

目录

为什么C/C++编译比Java、Python、golang慢很多？

万恶之源：C语言隐式函数声明

什么是隐式函数声明？

隐式函数声明的原因

怎样解决？

C语言单遍编译模型

函数重载带来的编译歧义

函数重载还有其他隐患吗？

C++前向声明

什么是前向声明？

前向声明的好处

前向声明的限制

头文件使用规范

参考：

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为什么C/C++编译比Java、Python、golang慢很多？

这个问题想完全解释清楚还是挺复杂的，主要原因是Java、Python和golang这些现代编程语言，模块化和编译优化做得很好，而C/C++无法摆脱头文件、预处理和元我呢间的束缚：

• Python、Golang这种解释型语言，import的时候直接把对应模块的源文件解析了一遍，不再是简单的把源文件包含进来。
• Java这种编译型语言，编译出来的目标文件直接包含了足够多的元数据，import的时候只需要读目标文件的内容，不需要读源文件。

  Java的编译只会生成字节码文件，而不会生成汇编（更不会到机器语言）。Java程序运行时，字节码文件会装载入java虚拟机，虚拟机实时将字节码“翻译”成机器指令来运行。java在不同平台上实现虚拟机，针对虚拟机编译就可以实现代码可移植性。C语言代码编译成的是机器码，通常不能在不同指令系统的机器上运行。c代码的编译一般是直接针对硬件的

万恶之源：C语言隐式函数声明

什么是隐式函数声明？

在C语言中，函数在调用前不一定非要声明。如果没有声明，那么编译器会自动按照一种隐式声明的规则，为调用函数的C代码产生汇编代码。

代码在使用前文未定义函数的时候，编译器不检查函数原型：既不检查参数个数，也不检查参数类型与返回值类型。所有未声明的函数都返回int，并且能接受任意个数的int类型参数。

这里如果是未声明的函数正好是int返回类型，不会有问题。但是，如果未声明函数是double、char等其他类型，函数入参多个的时候，就会出问题了，具体可以参见：万恶之源：C语言中的隐式函数声明

隐式函数声明的原因

C语言编译器为了尽量减少内存使用情况下实现分离编译。

怎样解决？

这种情况下编译器不会报错！链接器会生成警告或报错。因此：

1. 在c语言里面开来还是要学习c++的编程习惯，使用函数之前一定要声明。不然，即使编译能通过，运行时也可能会出一些莫名其妙的问题。
2. 重视编译器的警告，少给自己挖坑。

C语言单遍编译模型

编译程序其实可以分为两种，一种是单遍(one pass)编译程序，一种是多遍编译程序。顾名思义，单遍编译程序就是只对源代码读取一遍，便可得到目标代码；但是编译器只能看到目前(当前语句/符号之前)已解析过的代码，看不到之后的代码，过眼即忘。而多遍编译程序则需要读取多遍，才能完成转化过程。C语言是按照单遍编译来设计的。

• C语言要求结构体必须先编译，才能访问成员，否则编译器不知道结构体成员的类型和偏移量，就无法立刻生成目标代码。
• 局部成员变量必须先定义再使用。如果把定义放大后面，编译器在第一看到一个局部变量时不知道他的类型和在stack中的位置，也就无法立刻生成代码。
• 为了方便编译器分配stack空间，C语言要求局部变量只能在语句块开始处定义。
• 对于外部变量，编译器只需要记住类型和名字，不需要知道地址，因此需要先声明再使用。在生成的目标代码中，外部变量是空白，留给链接器填上。
• 当编译器看到一个函数调用时候，按隐式函数声明规则，编译器可以立刻生成调用函数的参数入参、返回值、调用，唯一不能确定的是函数的实际地址，编译器留下一个空白给链接器填充。

函数重载带来的编译歧义

为了实现函数重载，C++编译器普遍采用名字改变的方法，为每个重载函数生成独一无二的名字，在链接阶段找到正确的重载版本。

在下面的例子中，会调用fun(int)：

void fun(int) {
    cout << "int";
}

void handle() {
    fun('a');
}

void fun(char) {
    cout << "char";
}

int main() {
    fun();
}

 如果互换一下fun(char)和handle()的位置，会输出什么呢？调用fun(char)

void fun(int) {
    cout << "int";
}

void fun(char) {
    cout << "char";
}

void handle() {
    fun('a');
}

int main() {
    fun();
}

这是由于C++继承了C语言的单遍编译，但是又由于C++语言有前向声明的特性，所以又不是严格的单遍编译。因此对于函数重载来说，带了一些歧义，并且这些歧义一般不会告警或报错，需要特别注意！

函数重载还有其他隐患吗？

还记得文章前面说的吗，C语言有隐式函数声明吗？当在一段C++程序里面，如果源文件用到了重载函数，但是函数运行声明的返回类型是错误的，链接器无法捕捉到这样的错误！

举个例子：

int fun(bool) {    //如果将返回类型错误写成void，无法报错，会当做函数重载处理
    std::cout << "int";
}

int main() {
    fun(true);
    return 0;
}

C++前向声明

什么是前向声明？

可以声明一个类而不定义它。这个声明，有时候被称为前向声明(forward declaration)。比如class Screen; 在声明之后，定义之前，类Screen是一个不完全类型(incompete type)，即已知Screen是一个类型，但不知道包含哪些成员，具有哪些操作。不完全类型只能以有限方式使用，不能定义该类型的对象，不完全类型只能用于定义指向该类型的指针及引用，或者用于声明(而不是定义)使用该类型作为形参类型或返回类型的函数。
类的前向声明只适用于指针和引用的定义，如果是普通类类型就得使用include了。

前向声明的好处

1. 不必要的#include   会增加编译时间. 
2. 混乱随意的#include可能导致循环#include,可能出现编译错误.

前向声明的限制

1. 不能定义foo类的对象；
2. 可以用于定义指向这个类型的指针或引用。(很有价值的东西)；
3. 用于声明(不是定义)使用该类型作为形参或者返回类型的函数。

头文件使用规范

1. 将文件间的编译依赖降至最小。
2. 将定义式之间的依赖关系降至最小，避免循环依赖。用#ifdef、#define、#endif等控制编译依赖。
3. 让class名字、头文件名字、源文件名字直接相关，方面源码定位。
4. 在头文件内写内部#include guard，不要在源文件写外部护套。

参考：

• 《Linux多线程服务端编程》
• 《Linux高性能服务器编程》
• https://blog.csdn.net/leigelaile1/article/details/80622429
• https://www.pianshen.com/article/89041925046/
• https://www.cnblogs.com/liushui-sky/p/5753212.html