C++入门：函数重载

目录

一. 函数重载的概念和分类

1.1 什么是函数重载

1.2 函数重载的分类

1.3 关于函数重载的几点注意事项

二. C++实现函数重载的底层逻辑（为什么C++可以实现函数重载而C语言不能）

2.1 编译器编译程序的过程

2.2 为什么C++可以实现函数重载而C语言不能

2.3 Linux环境下C++编译器对函数名的修饰规则

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一. 函数重载的概念和分类

1.1 什么是函数重载

函数重载是函数的一种特殊情况，C++允许在同一作用域中定义或声明几个名称相同的函数，这些同名函数经常用于处理形参不同（形参个数、类型或顺序不同），但是实现功能类似的函数。如：int Add(int a, int b)和int Add(double a, double)就可以构成一组函数重载。

注意：C语言不支持函数重载。

1.2 函数重载的分类

函数重载有3种情况：参数类型不同、参数个数不同、参数顺序不同。满足上述3种情况至少其中一种，才能构成函数重载。

参数类型不同

两个重名函数，如果参数类型不同，可以构成函数重载。演示代码1.1定义了两个求加法函数Add，一个是针对整形数据的int Add(int x, int y)，另一个是针对双精度浮点型数据的double Add(double x, double y)。在调用Add函数时，如果传入两个整形数据，就调用nt Add(int x, int y)，如果传入两个双精度浮点型数据，就调用Add(double x, double y)。

编译器会自动识别调用两个重名函数中的哪一个，无需任何额外语句。

演示代码1.1：

#include<iostream>
using namespace std;//对整形数据的加法函数
int Add(int x, int y)
{cout << "int Add(int x, int y)" << endl;return x + y;
}//对浮点型数据的Add函数
double Add(double x, double y)
{cout << "double Add(double x, double y)" << endl;return x + y;
}int main()
{int add_int = Add(2, 5);  //整形数据加法printf("add_int = %d\n", add_int);  //7double add_double = Add(2.1, 3.5);  //浮点型数据加法printf("add_double = %lf\n", add_double);  //5.6return 0;
}

图1.1 演示代码1.1的运行结果

参数个数不同

演示代码1.2定义了两个Add函数，分别实现对两个数据求加法和对三个数据求加法。通过控制调用函数时传给函数的参数个数，来确定调用哪个Add函数。

演示代码1.2：

#include<iostream>
using namespace std;//对2个整形数据的加法函数
int Add(int x, int y)
{cout << "int Add(int x, int y)" << endl;return x + y;
}//对3个整形数据的加法函数
int Add(int x, int y, int z)
{cout << "int Add(int x, int y, int z)" << endl;return x + y + z;
}int main()
{int add_two = Add(1, 2);printf("add_two = %d\n", add_two);  //3int add_three = Add(1, 2, 3);printf("add_three = %d\n", add_three);  //6return 0;
}

图1.2  演示代码1.2的运行结果

形参顺序不同

演示代码1.3定义了两个func函数，第一个func函数的两个形参char类型数据在前、int类型数据在后，第二个func函数int类型数据在前、char类型数据在前。在调用函数时，通过控制传给函数的参数类型的顺序，来确定调用哪个func函数。

演示代码1.3：

#include<iostream>
using namespace std;void func(char c, int i)
{cout << "void func(char c, int i)" << endl;
}void func(int i, char c)
{cout << "void func(int i, char c)" << endl;
}int main()
{func('A', 5);func(5, 'A');return 0;
}

图1.3  演示代码1.3的运行结果

1.3 关于函数重载的几点注意事项

返回值不同，不能构成重载

double func(int a)和int func(int a)不构成重载，因为其不满足函数的参数类型、个数或顺序不同中的任意一个，因此不能构成重载。

缺省值不同，不能构成重载

func(int a)和func(int a = 10)不能构成重载，这里的原因与返回值不同时的类似， 不满足函数的参数类型、个数或顺序不同中的任意一个。

总结：判断两个重名函数是否能构成重载，只需看函数参数的个数、类型和顺序是否满足条件，不用关注缺省值、返回值等任何其余问题。

func()和func(int a = 10)可以构成重载

虽然这两个同名函数可以构成重载，但在调用时，会出现歧义。如果通过语句func()调用函数，编译器无法确定这里应当处理为没有传入参数调用func()还是存在缺省参数调用func(10)。 

二. C++实现函数重载的底层逻辑（为什么C++可以实现函数重载而C语言不能）

2.1 编译器编译程序的过程

要弄清楚C++实现函数重载的底层逻辑，首先要清楚编译器编译程序的全过程。将一份程序文献生成可执行文件，要经历编译和链接两段过程，其中编译又可以细分为预编译、编译和汇编三个小过程。汇编过程结束时，每个.c(.cpp)文件都会生成一份目标文件（后缀名为.obj或.o），完成链接过程后，就会生成可执行程序。

图2.1 编译器编译程序的过程

预编译阶段

预编译阶段完成的工作包括：

• 注释的删除
• #define定义符号和宏的替换
• 头文件的包含
• 条件编译

编译阶段

编译阶段将C++代码或C语言代码转换为汇编代码，完成的工作有：

• 语法检查
• 符号汇总（只汇总全局符号，不汇总局部作用域中定义的临时变量名或函数名等）

汇编阶段

将汇编语言转换为计算机能够读懂的机器语言（二进制代码），这个过程完成的具体工作有：

• 符号表的生成（每个.c/.cpp文件都会生成一份符号表）

符号表中存有符号的名称和其存储在内存中的地址，如果在当前.c\.cpp文件中仅声明了某个符号而没有定义，这样对这个.c/.cpp文件编译时就无法在内存中找到这个符号，这是，符号表中就会存储一份虚拟地址。

链接阶段

链接阶段完成的具体工作有：

• 合并段表
• 符号表的合并和重定位

如果在.c文件中调用一个没有被定义的函数或多次被定义的函数，编译器会在链接阶段检测出函数未定义或重复定义。理解链接阶段也是理解为什么C++能够支持函数重载而C语言不能支持函数重载的关键。

2.2 为什么C++可以实现函数重载而C语言不能

假设在主函数中调用Add函数，该函数的函数原型为int Add(int x, int y)，而该函数仅被声明而没有被定义。在Windows环境先使用VS2019编译器，分别在C语言和C++编译环境下对程序进行编译，可以观察的报错信息：

• 在C语言编译环境下，报错信息为：无法解析外部符号_Add
• C++编译环境下，报错信息为：无法解析外部符号int _cdcel Add(int, int)(?Add@@YAHH@z)

图2.2  C语言报错信息

图2.3  C++报错信息

根据报错信息的不同，可以初步推断，C++编译器在汇总函数名符号时，会对函数名进行修饰。根据初步的推断，我们在VS2019编译器中，定义并调用Add函数（Add函数的定义和调用不再同一个.cpp文件中）。对演示代码2.1进行调试（其中的Add函数已有定义），观察其汇编代码（如图2.4所示），汇编指令 call 表示调用函数，图中Add后面括号里的内容为函数地址。

call指令通俗来讲就是实现“跳转过程”，程序在执行main函数中的命令时，在某一位置跳转去执行被调函数地址处的命令。

对于Add后面括号里的地址在什么阶段填入问题，分以下两种情况讨论：

• 如果调用Add的.cpp文件中定义了Add函数，那么在编译阶段生成符号表时就会填入函数地址。
• 如果Add函数定义在了其他.cpp文件而调用Add函数的.cpp文件中仅有函数的声明，那么就需要在链接阶段才会填入函数地址。

图2.4  函数调用的汇报代码

 如果此时发现了两个互相冲突的函数，则无法确定应该执行存储在哪一地址处的函数指令。

• 对于C语言编译器，在生成符号表时，使用的函数名是原本程序中程序员定义的函数名，根据函数名标识查找函数所在的地址，此时如果存在两个相同的函数，函数名就会发生冲突。
• 对于C++编译器，生成符号表时使用的函数名是经过一定的修饰规则修饰后的函数名，在函数调用时也是采用经修饰后的函数名标识查找函数所在的地址，只要函数的参数不同，调用两个名称相同的函数就不会存在歧义。

2.3 Linux环境下C++编译器对函数名的修饰规则

Linux环境下C++对函数名的修饰规则为：_Z + 函数名长度 + 函数名 + 参数信息

如：int func()在Linxu环境下被修饰后，函数名变为：_Z4funcv。其中：

• _Z：表示前缀
• 4：表示函数名有4个字符
• func：程序员定义的函数名func
• v：表示函数没有参数

再比如：int func(int x, int y)，经修饰后的函数名变为：_Z4funcii，其中ii表示函数有两个整形参数。对更复杂一些的情况，如int func(int i, int* pi)，经修饰后函数名变为：Z4funciPi，其中Pi表示int*类型的参数。

在Window环境下，函数名的修饰规则更为复杂。但是，我们只需要知道C++会按照一定的规则对函数原本的名称进行修饰，通过修饰后的函数名查找函数地址即可，没必要深究修饰规则。