将 C++ 结构传递给需要 C 结构的库

Question

我正在 Linux 中编写一个 C++ 程序，需要使用一个用 C 编写的旧库。该库使用 C 结构来将信息传入和传出函数，并且这些结构是字节对齐的（无填充）。

我的理解是，C++ 中的 struct 实际上是一个对象，而 C 中的 struct 只是一块内存，被划分为可单独寻址的部分。

如何在 C++ 中创建 C 风格的结构以传递给库？ （我不能传递对象）

Answer 1

你在这里问了两个问题，真的......

如何在 C++ 中创建 C 风格的结构？

代替

struct foo { /* ... */ };

使用

extern "C" {
    struct foo { /* ... */ };
}

这可能不会导致任何不同，即“C++ 样式结构”和“C 样式结构”通常是相同的，只要您不添加方法、受保护的成员和位字段。但是，由于函数需要“extern C”，因此在这些大括号内将所有打算在 C 中使用的代码括起来是合理的。

更多详情，请阅读：What is the effect of extern "C" in C++? 和@AndrewHenle 的评论。

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我...需要使用用 C 编写的库

我在这里转述official C++ FAQ item，告诉你（惊讶，惊讶）只需将库头包含在 extern C 块中，然后像编写 C 一样使用其中的任何内容：

extern "C" {
  // Get declaration for `struct foo` and for `void f(struct foo)`
  #include "my_c_lib.h"
}

int main() {
    struct foo { /* initialization */ } my_foo;
    f(my_foo);
}

Answer 2

我的理解是，C++ 中的 struct 实际上是一个对象，而 C 中的 struct 只是一块内存，被划分为可单独寻址的部分。

你刚刚用不同的词描述了几乎完全相同的事情。

由于两种语言的语法重叠，您通常可以采用使用 struct 关键字定义的简单类，并使用 C 编译器编译相同的定义。

此外，您通常可以将指向用户定义类型对象的指针从 C++ 程序传递给 C 程序。但是，您通常希望将定义包装在 extern "C" 中，以便告诉计算机您需要这种兼容性。

最后，请记住，在 C++ 中，关键字 class 和关键字 struct 都引入了一个类定义，因此 C++ 并没有真正的“结构”，但在 C 中它们绝对是一件事（而类不是）。因此，请注意术语。

Answer 3

所以，这个问题有一些与之相关的复杂问题。但是，大致来说，答案很简单。

任何将被 C 编译器和 C++ 编译器（其中大多数被 C 编译器接受）都接受的 C struct 声明将是“Standard Layout Type”。这是 C++ 标准中定义的概念，C++ 编译器应该以某种方式对待它们。

特别是，符合 C++ 编译器所遵循的 ABI (aka Application Binary Interface) 子集的 C 编译器应该具有与此类类型完全相同的内存表示。

对于 Linux 和 Windows，针对 C 和 C++ 都非常仔细地定义了 ABI，并且已经有 5 到 10 年的历史了。任何一个平台上的所有编译器都应该符合它。因此，对于任何常见的 C 和 C++ 编译器组合都是如此。这包括 Clang、g++、Visual Studio，以及几乎所有在该平台上工作的非高度专业化的编译器。这并不一定意味着标准 C++ 库的不同版本具有兼容的实现，因为（例如）多年来实现 ::std::string 的方式（因此字符串结构中实际存在哪些数据）已经发生了巨大变化即使公共界面没有太大变化。

C++ ABI 因几个不同的因素而变得复杂。其中包括异常处理和函数名称修改（在函数的链接器符号名称中编码函数参数的类型）约定。此外，由于在很多情况和其他问题中类型默认为int 的方式，C 很大程度上要求调用者在函数完成后从堆栈中弹出参数，因为被调用的函数不能真正确定被推的论点。 C++ 有更严格的类型检查，有一段时间这导致了“被调用的函数弹出参数”的调用约定。我认为不再是这种情况了，因为我认为事实证明它的效率较低。不过我可能错了。

现在，如果您开始使用特定于编译器的关键字（例如“packed”或“aligned”），这一切都会消失。然后，您应该仔细查阅文档以了解会发生什么。

人们提到了extern "C" 声明。这些对于 C 和 C++ 代码之间的接口很重要，但它们与 struct 布局无关，根本不需要。 extern "C" 声明的好处是声明函数名和调用约定符合 C ABI 而不是 C++ ABI。这是关于调用者是否从堆栈中弹出函数调用参数或被调用函数，函数名称如何转换为链接器使用的符号，顺序参数被压入堆栈等等。同样，关于结构在内存中的布局方式与extern "C" 无关。这个结构是关于函数的，而不是structs。

而且，重申一下，这里有很多复杂性。但在绝大多数情况下，您根本不需要担心。它会起作用的。