解开缺省参数与函数重载的衣裳

news2024/9/30 9:30:34

解开缺省参数与函数重载的衣裳

    • 代码是如何由编译器变为可执行文件？
      • 预处理 ->编译->汇编->链接
      • 预处理
      • 编译
      • 汇编
      • 链接
    • 语法了解
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      • 函数重载
      • 语法实践
      • 语法探究
      • 结语

本期和大家一起探究C++中的缺省函数与重载函数的语法说明与汇编过程

请添加图片描述

代码是如何由编译器变为可执行文件？

预处理 ->编译->汇编->链接

代码在由编译器变为可执行文件时，要经过编译和链接在这两个大过程，其中编译又可分为预处理，编译，汇编三个过程。

预处理

在预处理阶段，源文件和头文件会被处理为.i为后缀的文件，在gcc环境中将test.c预处理为test.i的命令如下：

gcc -E test.c -o test.i

预处理的规则如下：

  1. 将所有的#define删除，同时展开所有宏定义
  2. 处理所有的条件编译指令，如:#if , #ifdef , #elif , #else , #endif
  3. 处理#include预编译指令，将包含的头文件内容插入到该预编译指令的位置，这个过程是递归实现的，所以说被包含的头文件也可能包含其他的文件
  4. 删除所有注释
  5. 添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息
  6. 保留所有的#pragma的编译器指令，编译器后续会使用

编译

编译是将预处理后的文件进行词法分析、语法分析、语义分析及优化（检查语法）后，生成汇编代码，也就是.s文件
gcc中命令如下：

gcc -S test.i -o test.s

汇编

汇编器是将汇编代码转转变成机器可执⾏的指令，每⼀个汇编语句⼏乎都对应⼀条机器指令，所以在汇编就是将汇编码转成二进制机器码
gcc中指令如下：

gcc -c test.s -o test.o

链接

链接是将一堆文件链接到一起生成可执行文件，其主要过程包括：地址和空间分配，符号决议和重定位等这些步骤。解决了一个项目多文件，多模块之间相互调用的问题。

在了解 预处理 ->编译->汇编->链接 过程之后，我们来以缺省参数与函数重载来实践性的了解了解。

语法了解

缺省参数

概念：缺省参数是声明或定义时为函数的参数指定一个缺省值（默认值），在调用函数值，若没有指定实参则采用该形参的缺省值，否则使用指定的实参。
注意：

  1. 半缺省参数，缺省值必须从右往左给出，不能间隔着给。
  2. 当函数的声明与定义分离时，缺省值以该文件声明时的为主，若在同一文件下则只能声明。
  3. 缺省值必须是常数或者全局变量。
  4. C语言不支持。

语法实践

参考代码如下：

#include<iostream>

int add(int a = 0, int b = 1)
{
	return a + b;
}

int main()
{
	std::cout << add() << std::endl;
	std::cout << add(2) << std::endl;
	std::cout << add(2,2) << std::endl;
	return 0;
}

根据上述代码，我们可以看到当我们使用add函数时，

  1. 在全无实参的情况下，形参a,b使用缺省值，所以输出结果应为1 (0+1);
  2. 在只有一个实参的情况下，传值从左到右，唯一的实参1传给了a，b继续使用缺省值，所以输出结果应为3 (2+1);
  3. 在实参都没缺少的的时候，就相当于普通的函数实现一般，所以输出结果应为4 (2+2);
    测试结果如下：
    在这里插入图片描述

语法探究

我们可以看到如下定义的函数参数为全缺省参数

int add(int a = 0, int b = 1)
{
	return a + b;
}

我们再来看看在main函数中调用该函数语句的汇编码，如下：

	add();
00801AC1  push        1  
00801AC3  push        0  
00801AC5  call        add (0801375h)  
00801ACA  add         esp,8  
	add(2);
00801ACD  push        1  
00801ACF  push        2  
00801AD1  call        add (0801375h)  
00801AD6  add         esp,8  
	add(2,2);
00801AD9  push        2  
00801ADB  push        2  
00801ADD  call        add (0801375h)  
00801AE2  add         esp,8

我们可以看到由于栈的特性，在缺少实参时向栈中压入的缺省参数是由右到左的。
以add()为例，先push 1 即b=1在push 0 即a=0
这是否就可以间接地解释为什么半缺省参数，缺省值必须从右往左给出，不能间隔着给？
在调用函数时所开辟的栈帧中，先传参在调用，在缺少实参时就向栈中压入(push)缺省值，然后再调用add函数。

我们再来想想为什么当函数的声明与定义分离时，push的缺省值以该文件声明时的为主？
这就不得不来看看编译阶段了。

  • 在编译阶段，首先扫描器会对代码进行词法分析，将代码中的字符分割为一系列的记号（关键字、标识符、字⾯量、特殊字符等）；
  • 接下来语法分析器，将对扫描产⽣的记号进⾏语法分析，从⽽产⽣语法树。
  • 由语义分析器来完成语义分析，即对表达式的语法层⾯分析，这个阶段会报告错误的语法信息。

如果声明与定义分离，例如将add函数定义在test.cc中，而add函数的声明在C语言是最好的语言.cpp中
我们先来看看两段有意思的运行代码：

1.在不同文件下函数的声明与定义分离缺省值以该文件声明时的为主。
在这里插入图片描述

2.在同一文件下，函数的声明与定义分离，缺省值只能在声明中。
在这里插入图片描述
看着这两组图片，我不禁陷入沉思，为什么会是这样的运行结果呢？

  • 对于第一种情况，不同文件下函数的声明与定义分离，编译器并不是对整个项目组同时一起进行检查，而是对每个文件进行检查（即每个文件独立检查）所以在第一种情况下，test.cc的add函数中可以理解为函数的声明和定义并没有分离,而在C语言是最好的语言.cpp中,可以看做add函数只是做了声明。而在后续调用该函数进行计算时能够运行,是因为编译器。在进行了。编译和汇编之后生成了与机器指令对应的汇编码，编译器将一个项目的多个文件链接在一起生成可执行程序，所以才有了如图的输出结果。
  • 而对于第二种情况，在同一文件下，缺省值在函数的声明与定义中同时定义，所以在编译阶段的语法检查时，就直接报错，并且中断了程序。

如下图就是一个add函数的调用过程：
在这里插入图片描述

函数重载

概念：函数重载是一种特殊的情况，C++允许在同一作用域中声明几个功能不同函数名相同，但是要求形参类型或个数或类型顺序不同。
实践作用：常用来处理功能类似数据类型不同的问题。

语法实践

参考代码如下：

#include<iostream>

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

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

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

int main()
{
	std::cout << add(2.2,2.2) << std::endl;
	std::cout << add(2,2) << std::endl;
	std::cout << add(2.2,2) << std::endl;
	return 0;
}

根据上述代码，我们可以看到当我们使用add函数时，

  1. 当两个实参为2.2时，调用double add(double a, double b)返回4.4
  2. 当两个实参为2时，调用int add(int a, int b)返回4
  3. 当一个实参为2.2，另一个实参为2时，调用double add(double a, int b)返回4.2

测试结果如下：
在这里插入图片描述

语法探究

对于一个同名文件为什么可以通过参数的不同来进行调用呢？编译器又是如何区分的呢？

面对着这两个问题，我不经陷入沉思，于是打开了我的Linux来对其一趟究竟。

我们依旧使用上一个举例的代码。
输入Linux指令

g++ -S explore.cc -o explore.s

得到汇编码如下：

	.file	"explore.cc"
	.local	_ZStL8__ioinit
	.comm	_ZStL8__ioinit,1,1
	.text
	.globl	_Z3addii
	.type	_Z3addii, @function
_Z3addii:
.LFB971:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	movl	%edi, -4(%rbp)
	movl	%esi, -8(%rbp)
	movl	-8(%rbp), %eax
	movl	-4(%rbp), %edx
	addl	%edx, %eax
	popq	%rbp
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE971:
	.size	_Z3addii, .-_Z3addii
	.globl	_Z3adddd
	.type	_Z3adddd, @function
_Z3adddd:
.LFB972:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	movsd	%xmm0, -8(%rbp)
	movsd	%xmm1, -16(%rbp)
	movsd	-8(%rbp), %xmm0
	addsd	-16(%rbp), %xmm0
	movsd	%xmm0, -24(%rbp)
	movq	-24(%rbp), %rax
	movq	%rax, -24(%rbp)
	movsd	-24(%rbp), %xmm0
	popq	%rbp
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE972:
	.size	_Z3adddd, .-_Z3adddd
	.globl	_Z3adddi
	.type	_Z3adddi, @function
_Z3adddi:
.LFB973:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	movsd	%xmm0, -8(%rbp)
	movl	%edi, -12(%rbp)
	cvtsi2sd	-12(%rbp), %xmm0
	addsd	-8(%rbp), %xmm0
	movsd	%xmm0, -24(%rbp)
	movq	-24(%rbp), %rax
	movq	%rax, -24(%rbp)
	movsd	-24(%rbp), %xmm0
	popq	%rbp
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE973:
	.size	_Z3adddi, .-_Z3adddi
	.globl	main
	.type	main, @function
main:
.LFB974:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$16, %rsp
	movabsq	$4612136378390124954, %rdx
	movabsq	$4612136378390124954, %rax
	movq	%rdx, -8(%rbp)
	movsd	-8(%rbp), %xmm1
	movq	%rax, -8(%rbp)
	movsd	-8(%rbp), %xmm0
	call	_Z3adddd
	movsd	%xmm0, -8(%rbp)
	movq	-8(%rbp), %rax
	movq	%rax, -8(%rbp)
	movsd	-8(%rbp), %xmm0
	movl	$_ZSt4cout, %edi
	call	_ZNSolsEd
	movl	$_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, %esi
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZNSolsEPFRSoS_E
	movl	$2, %esi
	movl	$2, %edi
	call	_Z3addii
	movl	%eax, %esi
	movl	$_ZSt4cout, %edi
	call	_ZNSolsEi
	movl	$_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, %esi
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZNSolsEPFRSoS_E
	movabsq	$4612136378390124954, %rax
	movl	$2, %edi
	movq	%rax, -8(%rbp)
	movsd	-8(%rbp), %xmm0
	call	_Z3adddi
	movsd	%xmm0, -8(%rbp)
	movq	-8(%rbp), %rax
	movq	%rax, -8(%rbp)
	movsd	-8(%rbp), %xmm0
	movl	$_ZSt4cout, %edi
	call	_ZNSolsEd
	movl	$_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, %esi
	movq	%rax, %rdi
	call	_ZNSolsEPFRSoS_E
	movl	$0, %eax
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE974:
	.size	main, .-main
	.type	_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function
_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii:
.LFB981:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$16, %rsp
	movl	%edi, -4(%rbp)
	movl	%esi, -8(%rbp)
	cmpl	$1, -4(%rbp)
	jne	.L9
	cmpl	$65535, -8(%rbp)
	jne	.L9
	movl	$_ZStL8__ioinit, %edi
	call	_ZNSt8ios_base4InitC1Ev
	movl	$__dso_handle, %edx
	movl	$_ZStL8__ioinit, %esi
	movl	$_ZNSt8ios_base4InitD1Ev, %edi
	call	__cxa_atexit
.L9:
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE981:
	.size	_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, .-_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
	.type	_GLOBAL__sub_I__Z3addii, @function
_GLOBAL__sub_I__Z3addii:
.LFB982:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	movl	$65535, %esi
	movl	$1, %edi
	call	_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
	popq	%rbp
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE982:
	.size	_GLOBAL__sub_I__Z3addii, .-_GLOBAL__sub_I__Z3addii
	.section	.init_array,"aw"
	.align 8
	.quad	_GLOBAL__sub_I__Z3addii
	.hidden	__dso_handle
	.ident	"GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-44)"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits

汇编码虽然有点长，但是我们可以看到在Linux下，采用g++编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参数类型信息添加到修改后的名字中。
在该例子中代码与修饰后的名字如下：

int add(int ,int )  --> _Z3addii
int add(double ,double )  -->_Z3adddd
int add(double ,int )  -->_Z3adddi

所以这就是为什么有函数重载

Linux下g++的命名修饰规则：

_z + 后面接的数字表示函数名字的字符个数 + 函数名字 + 从左到右参数类型的依次缩写

这就很好的说明了形参类型或个数或类型顺序不同，可以支持函数重载。
同时，我们也可以看到Linux下g++的命名修饰规则并没有对函数的返回类型进行修饰，所以函数的返回类型不同不能理解为函数重载。

结语

以上就是本期的全部内容，若有错误请务必指出，喜欢就请多多关注吧！！！

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