C 調用 C++：extern “C” 接口詳解與實踐 C/C++混合編譯

C 調用 C++：extern “C” 接口詳解與實踐

核心問題在于 C++ 編譯器會對函數名進行“修飾”（Name Mangling）以支持函數重載等特性，而 C 編譯器則不會。此外，C 語言本身沒有類、對象等概念。為了解決這個問題，我們需要在 C++ 代碼中提供一個 C 語言可以理解的接口 .cpp 文件。

1. 主要方法：使用 extern "C"

extern "C" 是 C++ 提供的一個關鍵字，用于指示編譯器以 C 語言的規則來編譯指定的代碼塊或函數聲明。這意味著：

  1. 禁用名稱修飾（Name Mangling）：編譯器會按照 C 語言的方式處理函數名，使其在鏈接時能被 C 代碼找到。
  2. 遵循 C 調用約定：確保函數參數傳遞和棧處理方式與 C 語言兼容。

2. 實現步驟：構建 C 到 C++ 的橋梁

要讓 C 代碼能夠調用 C++ 的功能，我們需要搭建一座“橋梁”。核心思路是在 C++ 中創建一個符合 C 語言規范的接口層。以下是詳細步驟：

  1. 設計并實現 C++ 功能模塊 (calculator.hpp & calculator.cpp):

    • 像往常一樣，在 .hpp 文件中定義你的 C++ 類（例如 Calculator），包含其成員變量和成員函數聲明。
    • 在對應的 .cpp 文件中實現這些成員函數（構造函數、析構函數、add, subtract 等）。這個文件只包含純粹的 C++ 類實現，不涉及 extern "C"。

  2. 定義 C 語言接口頭文件 (c_interface.h):

    • 創建一個 .h 頭文件，這將是 C 代碼和 C++ 接口代碼共同的“契約”。
    • 關鍵: 使用 #ifdef __cplusplus 和 extern "C" 條件編譯指令。這確保：
      • 當被 C++ 編譯器包含時，extern "C" 生效，聲明的函數將具有 C 鏈接規范（無名稱修飾，C 調用約定）。
      • 當被 C 編譯器包含時，extern "C" 部分被忽略，C 編譯器只看到標準的 C 函數聲明。
    • 推薦: 在此頭文件中定義一個不透明指針類型（例如 typedef void* CalculatorHandle;）作為 C 代碼中代表 C++ 對象的“句柄”。這樣可以完全隱藏 C++ 的類型細節。
    • 聲明一組 C 風格的函數原型（例如 CalculatorHandle createCalculator();, void destroyCalculator(CalculatorHandle handle);, double add(CalculatorHandle handle, double a, double b); 等），這些函數將構成 C 語言可以調用的接口。

  3. 實現 C 語言接口包裝層 (c_interface.cpp):

    • 創建一個新的 C++ 源文件（.cpp），專門用于實現 c_interface.h 中聲明的那些 C 風格接口函數。
    • 包含必要的頭文件: #include "c_interface.h" 和 #include "calculator.hpp"。
    • 實現包裝函數 (Wrapper Functions):
      • createCalculator(): 內部使用 new Calculator() 創建 C++ 對象。
      • destroyCalculator(CalculatorHandle handle): 接收 C 代碼傳來的指針,然后使用 delete 銷毀 C++ 對象。
      • add(CalculatorHandle handle, double a, double b) 等函數: 接收句柄，將其轉換回 Calculator*，然后調用實際的 C++ 成員函數 (calc->add(a, b))，并返回結果。
    • 注意: 這些函數的實現本身是在 C++ 文件中，可以使用 C++ 特性（如 new, delete, static_cast, try-catch 處理異常等），但因為它們在 c_interface.h 中被 extern "C" 聲明過，所以最終會被編譯為 C 鏈接規范的函數。

  4. 在 C 代碼中調用接口 (main.c):

    • 包含 C 接口頭文件 #include "c_interface.h"。不要包含 C++ 的頭文件 (calculator.hpp)。
    • 像調用普通 C 函數一樣調用 c_interface.h 中聲明的接口函數。
    • 使用指針類型的變量來存儲和傳遞 C++ 對象的句柄。
    • 極其重要: 必須在使用完 C++ 對象后，顯式調用對應的銷毀函數（如 destroyCalculator(calcHandle)) 來釋放資源，防止內存泄漏。

  5. 編譯和鏈接 (使用 C++ 編譯器):

    • 使用 C++ 編譯器 (例如 g++) 來編譯所有的 C++ 源文件 (calculator.cpp, c_interface.cpp)。
    • 可以使用 C 編譯器 (gcc) 或 C++ 編譯器 (g++) 來編譯 C 源文件 (main.c)。（g++ 通常也能很好地處理 C 代碼）。
    • 關鍵鏈接步驟: 必須使用 C++ 編譯器 (g++) 將所有生成的目標文件 (.o) 鏈接在一起形成最終的可執行文件。這

3. 示例：使用 extern “C” 包裝 C++ 計算器類程序

假設我們有一個簡單的 C++ 類 Calculator，我們希望能在 C 程序中使用它的加減乘除功能。

calculator.hpp (C++ 類頭文件)

#ifndef CALCULATOR_HPP
#define CALCULATOR_HPP#include <stdexcept> // For exception handlingclass Calculator {
private:double last_result;public:Calculator();~Calculator(); // Destructordouble add(double a, double b);double subtract(double a, double b);double multiply(double a, double b);double divide(double a, double b);double getLastResult() const;
};#endif // CALCULATOR_HPP

說明: 這是標準的 C++ 頭文件，定義了 Calculator 類的接口。C 代碼不應該直接包含這個文件。

calculator.cpp (C++ 實現文件)

#include "c_interface.h"
#include "calculator.hpp"Calculator* createCalculator() {return new Calculator();
}void destroyCalculator(Calculator* calc) {delete calc;
}double add(Calculator* calc, double a, double b) {return calc->add(a, b);
}double subtract(Calculator* calc, double a, double b) {return calc->subtract(a, b);
}double multiply(Calculator* calc, double a, double b) {return calc->multiply(a, b);
}double divide(Calculator* calc, double a, double b) {return calc->divide(a, b);
}double getLastResult(Calculator* calc) {return calc->getLastResult();
}

c_interface.h (接口頭文件，供 C++ 接口文件使用)

接口頭文件 (c_interface.h) 的角色:

  • 這個頭文件是 C 和 C++ 之間的“契約”。

  • #ifdef __cplusplus / extern “C” / #endif 的組合是關鍵：

    • 當被 C++ 編譯器處理時（如 c_interface.cpp 包含它），extern “C” 生效，確保函數以 C 方式導出。

    • 當被 C 編譯器處理時（如 main.c 包含它），#ifdef __cplusplus 為假，extern “C” 部分被忽略，C 編譯器只看到標準的 C 函數聲明。

  • 重要: C 代碼 (main.c) 通過這個頭文件只知道存在一些 C 風格的函數（如 createCalculator, add 等）。它完全不知道 C++ 的 Calculator 類的內部細節，這實現了良好的封裝。

#ifndef C_INTERFACE_H
#define C_INTERFACE_H#include "calculator.hpp"#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endifCalculator* createCalculator();
void destroyCalculator(Calculator* calc);
double add(Calculator* calc, double a, double b);
double subtract(Calculator* calc, double a, double b);
double multiply(Calculator* calc, double a, double b);
double divide(Calculator* calc, double a, double b);
double getLastResult(Calculator* calc);#ifdef __cplusplus
}
#endif#endif

c_interface.cpp (接口實現文件，間接實現其他 .C 文件調用面向對象功能)

#include "c_interface.h"
#include "calculator.hpp"Calculator* createCalculator() {return new Calculator();
}void destroyCalculator(Calculator* calc) {delete calc;
}double add(Calculator* calc, double a, double b) {return calc->add(a, b);
}double subtract(Calculator* calc, double a, double b) {return calc->subtract(a, b);
}double multiply(Calculator* calc, double a, double b) {return calc->multiply(a, b);
}double divide(Calculator* calc, double a, double b) {return calc->divide(a, b);
}double getLastResult(Calculator* calc) {return calc->getLastResult();
}

main.c (C 主程序)

? 這是純 C 代碼。它只依賴 c_interface.h 定義的函數。注意，它需要手動調用 destroyCalculator 來管理 C++ 對象的生命周期。

#include "c_interface.h"
#include <stdio.h>int main() {Calculator* calc = createCalculator();double result = add(calc, 10, 20);printf("Result: %f\n", result);result = subtract(calc, 10, 20);printf("Result: %f\n", result);result = multiply(calc, 10, 20);printf("Result: %f\n", result);result = divide(calc, 10, 20);printf("Result: %f\n", result);destroyCalculator(calc);return 0;
}

編譯和鏈接 (使用 G++)

以 vscode 中的task.json配置為例: 必須使用 C++ 編譯器 (g++) 進行鏈接，因為它需要鏈接 C++ 標準庫來支持 new, delete, 異常處理等。g++ 可以同時編譯 C (.c) 和 C++ (.cpp) 源文件。

{"tasks": [{"type": "cppbuild","label": "Build Project (main.c + C++ files)","command": "D:\\mingw64\\bin\\g++.exe","args": ["-fdiagnostics-color=always","-g","${workspaceFolder}/main.c","${workspaceFolder}/c_interface.cpp","${workspaceFolder}/calculator.cpp","-o","${workspaceFolder}/main.exe"],"options": {"cwd": "${workspaceFolder}"},"problemMatcher": ["$gcc"],"group": {"kind": "build","isDefault": true},"detail": "Compiles main.c, c_interface.cpp, calculator.cpp and links them into main.exe"}],"version": "2.0.0"
}

g++ 編譯命令實際為:

g++.exe -g ./main.c ./c_interface.cpp ./calculator.cpp -o ./main.exe

執行結果:

PS E:\Learning_Record\code> g++.exe -g ./main.c ./c_interface.cpp ./calculator.cpp -o ./main.exe
PS E:\Learning_Record\code> .\main.exe
C++ Calculator object created.
Result: 30.000000
Result: -10.000000
Result: 200.000000
Result: 0.500000
C++ Calculator object destroyed.

4. 使用不透明指針 (void*) 作為句柄 (Handle)

? 雖然上面的程序 c_interface.h 直接使用了 Calculator*，并且在 C 代碼中也能工作（因為 C 編譯器把它當作一個未定義類型的指針），但更健壯和推薦的做法是在 C 接口中使用 不透明指針 (void*) 來代表 C++ 對象。

  • 優點:

    • 完全隱藏 C++ 類型: C 代碼完全不需要知道 Calculator 這個名字，增加了封裝性。
    • 避免潛在的 C 編譯器警告/錯誤: C 編譯器看到 Calculator* 可能會有疑問，而 void* 是標準的未知類型指針。
    • 隱藏 C++ 復雜性 (Hiding C++ Complexity): C 代碼的開發者不需要了解 C++ 的特性，如類、構造/析構、模板、異常處理、名稱修飾等。他們只需要像調用普通 C 函數一樣使用接口。

  • 修改示例:

    c_interface.h (接口頭文件，供 C++ 接口文件使用)

    #ifndef C_INTERFACE_H
#define C_INTERFACE_H// Remove direct include of calculator.hpp for C code if not strictly necessary
// #include "calculator.hpp" // C code doesn't need the full C++ class definition// Define the opaque pointer type for C code
typedef void* CalculatorHandle;#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif// Functions now use CalculatorHandle
CalculatorHandle createCalculator();
void destroyCalculator(CalculatorHandle calc);
double add(CalculatorHandle calc, double a, double b);
double subtract(CalculatorHandle calc, double a, double b);
double multiply(CalculatorHandle calc, double a, double b);
double divide(CalculatorHandle calc, double a, double b);
double getLastResult(CalculatorHandle calc);#ifdef __cplusplus
}
#endif#endif // C_INTERFACE_H

    c_interface.cpp (接口實現文件，間接實現其他 .C 文件調用面向對象功能)

    #include "c_interface.h"
#include "calculator.hpp"
#include <stdexcept>CalculatorHandle createCalculator() {return new Calculator();
}void destroyCalculator(CalculatorHandle handle) {Calculator* calc = static_cast<Calculator*>(handle);delete calc;
}double add(CalculatorHandle handle, double a, double b) {Calculator* calc = static_cast<Calculator*>(handle);return calc->add(a, b);
}double subtract(CalculatorHandle handle, double a, double b) {Calculator* calc = static_cast<Calculator*>(handle);return calc->subtract(a, b);
}double multiply(CalculatorHandle handle, double a, double b) {Calculator* calc = static_cast<Calculator*>(handle);return calc->multiply(a, b);
}double divide(CalculatorHandle handle, double a, double b) {Calculator* calc = static_cast<Calculator*>(handle);try {return calc->divide(a, b);} catch (const std::exception& e) {fprintf(stderr, "Error in divide: %s\n", e.what());return 0.0;}
}double getLastResult(CalculatorHandle handle) {Calculator* calc = static_cast<Calculator*>(handle);return calc->getLastResult();
}

    static_cast<Calculator*>(handle): 這是 C++ 中的顯式類型轉換 (Explicit Type Casting)。

    • static_cast 是 C++ 提供的一種類型轉換操作符，用于在編譯時進行類型檢查的轉換。它比 C 風格的強制類型轉換更安全、更明確。

    • <Calculator*> 指定了我們想要將 handle 轉換成的目標類型，也就是“指向 Calculator 的指針”。

    • (handle) 是要被轉換的源變量或表達式。在這個例子中，handle 的類型是 CalculatorHandle，也就是我們之前 typedef 定義的 void*。void* 是一種通用指針，它可以指向任何類型的對象，但它本身不包含類型信息。

    類似于C 風格的強制類型轉換：

    // 假設 handle 是一個 void*，并且你知道它指向 MyStruct
struct MyStruct *ptr = (struct MyStruct*)handle;
// 現在可以使用 ptr->member

    main.c (C 主程序)

    #include "c_interface.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {CalculatorHandle calc = createCalculator();if (calc == NULL) {fprintf(stderr, "Error: Failed to create Calculator object.\n");return EXIT_FAILURE;}printf("Calling C++ functions via C interface...\n");double res_add = add(calc, 10.5, 20.0);printf("add(10.5, 20.0) = %f\n", res_add);double res_sub = subtract(calc, res_add, 5.5);printf("subtract(%f, 5.5) = %f\n", res_add, res_sub);double res_mul = multiply(calc, res_sub, 2.0);printf("multiply(%f, 2.0) = %f\n", res_sub, res_mul);double res_div = divide(calc, res_mul, 10.0);printf("divide(%f, 10.0) = %f\n", res_mul, res_div);printf("Attempting division by zero...\n");double res_div_zero = divide(calc, 100.0, 0.0);printf("divide(100.0, 0.0) = %f (check for error indicator)\n", res_div_zero);double last_res = getLastResult(calc);printf("Last result stored in calculator: %f\n", last_res);destroyCalculator(calc);printf("Calculator object destroyed.\n");return 0;
}

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