Участник:Joparino/Совместимость C и C++

Языки программирования C и C++ тесно связаны, но имеют существенные различия. C++ создавался как потомок достандартизированного C, по большей части совместимый с ним на тот момент на уровне исходного кода и компоновки. В связи с этим средства разработки для обоих языков (такие, как среды разработки и компиляторы) часто интегрируются в один продукт, при этом программист может выбрать C или C++ в качестве языка исходного кода.

Однако, C не является подмножеством C++, поэтому нетривиальные программы на C не будут компилироваться на C++ без изменений. Также C++ вводит множество возможностей, недоступных в C, и на практике почти весь код, написанный на C++, не соответствует коду на C. Однако в этой статье основное внимание уделяется различиям, которые приводят к тому, что соответствующий код C является неправильно написанным (англ. ill-formed) кодом на C++ или соответствующим/хорошо написанным (англ. conforming/well-formed) на обоих языках, но может вести себя по-разному на C и C++.

Бьёрн Страуструп, создатель C++, предложил что несовместимость между C и C++ должна быть уменьшена насколько это возможно, чтобы обеспечить максимальное взамодейтвие между двумя языками. Другие утверждают, что, поскольку C и C++ — это два разных языка, совместимость между ними полезна, но не жизненно важна; согласно их мнению, усилия по уменьшению несовместимости не должны препятствовать попыткам улучшить каждый язык в отдельности. Официальное обоснование стандарта C 1999 года (C99) «поддерживает принцип сохранения наибольшего общего подмножества» между C и C++, «сохраняет при этом различия между ними и позволяет развиваться отдельно», там также утверждается, что авторы были «довольны тем, что C++ стал большим и амбициозным языком».

Некоторые нововведения C99 не поддерживаются в текущем стандарте C++ или конфликтуют с отдельными возможностями C++, например, массивы переменной длины, собственные комплексные типы данных и квалификатор типа restrict. С другой стороны, C99 уменьшил некоторые другие несовместимости по сравнению с C89, включив такие функции C++, как однострочные комментарии //, а также смешение объявлений и кода.

Конструкции, допустимые в C, но не в C++

C++ применяет более строгие правила типизации (никаких неявных нарушений системы статических типов) и требования к инициализации (принудительная проверка во время компиляции, что у переменных в области видимости не нарушена инициализация, то есть невозможно вернуться к месту до объявления с явной или неявной инициализацией, если не считать блоки, в которые не управляющий поток не попадал), и поэтому некоторый допустимый код C недопустим в C++. Обоснование этого приведено в Приложении C.1 к стандарту ISO C++.

• Одно из часто встречающихся отличий заключается в том, что C более слабо типизирован в отношении указателей. В частности, C позволяет присваивать указатель void* любому типу указателя без приведения, в то время как C++ этого не позволяет; эта идиома часто встречается в коде на C, использующем для выделения памяти malloc, или при передаче контекстных указателей в pthreads (POSIX API) и другие фреймворки, использующие обратные вызовы. Например, следующее допустимо в C, но не в C++:

  void *ptr;
  /* Неявное преобразование из void* в int* */
  int *i = ptr;
  

  или аналогично:

  int *j = malloc(5 * sizeof *j);     /* Неявное преобразование из void* в int* */
  

  Чтобы заставить код компилироваться как на C, так и на C++, необходимо использовать явное приведение типа следующим образом (с некоторыми предостережениями в отношении обоих языков):

  void *ptr;
  int *i = (int *)ptr;
  int *j = (int *)malloc(5 * sizeof *j);
  

• C++ имеет более сложные правила присваивания указателей, которые добавляют квалификаторы, поскольку C++ позволяет приводить int ** к const int *const *, но не позволяет небезопасное присваивание const int **, в то время как C не допускает ни того, ни другого (хотя компиляторы обычно выдают только предупреждение).
• C++ изменяет некоторые функции стандартной библиотеки языка Си, добавляя дополнительные перегруженные функции с квалификатором типа const, например, strchr возвращает char* в C, в то время как C++ поступает так, как если бы существовали две перегруженные функции const char *strchr(const char *) и char *strchr(char *).
• C++ также более строг в преобразованиях в перечисления: целые числа не могут быть неявно преобразованы в перечисления, как в C. Кроме того, константные перечисления (enum enumerators) всегда имеют тип int в C, тогда как в C++ они являются различными типами и могут иметь размер, отличный от размера int.
• В C++ const-переменная должна быть инициализирована; в C это необязательно.
• Компиляторы C++ запрещают goto или switch пересекать инициализацию, как в следующем коде на C99:

  void fn(void)
  {
      goto flack;
      int i = 1;
  flack:
      ;
  }
  

• Несмотря на синтаксическую корректность, функция longjmp() приводит к неопределённому поведению в C++, если пропущенные (англ. jumped-over) фреймы стека содержат объекты с нетривиальными деструкторами. Имплементация C++ может произвольно определять поведение таким образом, чтобы деструкторы вызывались. Однако это исключает некоторые варианты использования longjmp(), которые в противном случае были бы допустимы, например, имплементация потоков или сопрограмм, переключающихся между отдельными стеками вызовов с помощью longjmp() — при переходе из нижнего стека вызовов в верхний в глобальном адресном пространстве деструкторы вызывались бы для каждого объекта в нижнем стеке вызовов. В C такой проблемы не существует.
• C допускает несколько предварительных определений одной глобальной переменной в одной единице трансляции, что недопустимо в C++, так как это нарушение правила одного определения (англ. One Definition Rule, ODR).

  int N;
  int N = 10;
  

• В C допустимо объявление нового типа с тем же именем, что и у struct, union или enum, но это недопустимо в C++, потому что в C типы struct, union и enum должны указываться всякий раз, когда на этот тип ссылаются, тогда как в C++ все объявления таких типов неявно содержат typedef.

  enum BOOL {FALSE, TRUE};
  typedef int BOOL;
  

• Объявления функций без прототипов (в стиле «K&R») недопустимы в C++; они по-прежнему действительны в C, хотя были признаны устаревшими с момента первой стандартизации C в 1990 году. «Устаревший» (англ. obsolescent) — это термин, которому даётся определение в стандарте ISO C, он означает языковую возможность, которая «может быть быть удалена в будущих версиях» стандарта. Аналогично, неявные объявления функций (использование функций, которые не были объявлены) не допускаются в C++ и являются недопустимыми в C с 1999 года.
• В C прототип функции без параметров, например int foo();, подразумевает, что параметры не указаны. Следовательно, допустимо вызывать такую функцию с одним или несколькими параметрами, например foo(42, "hello world"). Напротив, в C++ прототип функции без аргументов означает, что функция не принимает аргументов, и вызов такой функции с аргументами является некорректным. В C правильный способ объявить функцию, которая не принимает аргументов, — это использовать 'void', как в int foo(void);, это также допустимо в C++. Пустые прототипы функций являются устаревшей (англ. deprecated) возможностью в C99 (как и в C89).
• Как на C, так и на C++ можно определить вложенные типы struct, но область действия интерпретируется по-разному: в C++ вложенный тип struct определяется только в пределах области видимости/пространства имён внешнего типа struct, тогда как в C внутренняя структура также определяется вне внешней структуры.
• C позволяет объявлять типы struct, union и enum в прототипах функций, в то время как C++ этого не делает.

C99 и C11 добавили в C несколько дополнительных возможностей, которые не были включены в стандартный C++, таких как комплексные числа, массивы переменной длины (обратите внимание, что комплексные числа и массивы переменной длины обозначены как необязательные расширения в C11), гибкий элемент массива, ключевое слово restrict, квалификаторы параметров массива, составные литералы (англ. compound literals) и назначенные инициализаторы.

• Комплексная арифметика с использованием примитивных типов данных float complex и double complex были добавлены в стандарт C99 с помощью ключевого слова _Complex и макроса complex для удобства. В C++ арифметические действия с комплексными числами может быть выполнена с использованием класса комплексных чисел, но эти два метода несовместимы на уровне кода. (Однако стандарты, начиная с C++11, требуют бинарной совместимости.)
• Массивы переменной длины. Эта особенность приводит к возможному вызову оператора <>sizeof не во время компиляции.

  void foo(size_t x, int a[*]);  // Объявление VLA
  void foo(size_t x, int a[x]) 
  {
      printf("%zu\n", sizeof a); // То же, что и sizeof(int*)
      char s[x * 2];
      printf("%zu\n", sizeof s); // Будет выведено print x*2
  }
  

• Последний элемент структурного типа в стандарте C99 с более чем одним элементом может быть гибким элементом массива, который принимает синтаксическую форму массива с неопределённой длиной. Это служит цели, аналогичной массивам переменной длины, но массивы переменной длины не могут отображаться в определениях типов, и, в отличие от массивов переменной длины, элементы гибкого массива не имеют определенного размера. ISO C++ не имеет такой особенности. Пример:

  struct X
  {
      int n, m;
      char bytes[];
  }
  

• Квалификатор типа restrict, определённый в C99, не был включён в стандарт C++03, но большинство основных компиляторов, таких как GCC, Microsoft Visual C++ и Intel C++ Compiler предоставляют аналогичную функциональность в качестве расширения.
• Квалификаторы параметров массива в функциях поддерживаются в C, но не в C++.

  int foo(int a[const]);     // аналогично int *const a 
  int bar(char s[static 5]); // отмечает, что s имеет длину не менее 5 символов
  

• Функциональность составных литералов в C обобщается как на встроенные, так и на пользовательские типы с помощью синтаксиса списочной инициализаци в C++11, хотя и с некоторыми синтаксическими и семантическими различиями.

  struct X a = (struct X){4, 6};  // Аналогичным в C++ было бы X{4, 6}. Синтаксическая форма C, используемая в C99, поддерживается в качестве расширения в компиляторах GCC и Clang.
  foo(&(struct X){4, 6});         // Объект выделяется на стеке, и его адрес может быть передан функции. Не поддерживается в C++.
  
  if (memcmp(d, (int []){8, 6, 7, 5, 3, 0, 9}, n) == 0) {} // Аналогичным в C++ было бы digits = int []; if (memcmp(d, digits{8, 6, 7, 5, 3, 0, 9}, n) == 0) {}
  

• Назначенные инициализаторы для массивов допустимы только в C:

  char s[20] = { [0] = 'a', [8] = 'g' };  // Допустимо в C, но не в C++
  

• Функции, которые не возвращают значение, могут быть отмечены с помощью атрибута noreturn в C++, тогда как C использует другое ключевое слово.

C++ добавляет множество дополнительных ключевых слов для поддержки своих новых возможностей. Это делает код на C, использующий эти ключевые слова для идентификаторов, недопустимым в C++. Например, такой код:

struct template 
{
    int new;
    struct template* class;
};

является допустимым кодом на C, но отклоняется компилятором C++, поскольку ключевые слова template, new иclass зарезервированы.

Конструкции, которые ведут себя по-разному в C и C++

Существует несколько синтаксических конструкций, которые допустимы как в C, так и в C++, но дают разные результаты в этих двух языках.

• Символьные литералы (англ. Character literal), такие как 'a', имеют тип int в C и тип char в C++, что означает, что sizeof 'a' обычно дает разные результаты на двух языках: в C++ это будет 1, в то время как в C это будет sizeof(int). Как еще одно следствие этого различия в типах, в C 'a' всегда будет выражением со знаком, независимо от того, является ли char знаковым или беззнаковым, , тогда как для C++ это зависит от реализации компилятора.
• C++ присваивает внутреннюю связь переменным const в области пространства имен, если они явно не объявлены extern, в отличие от C, в котором extern является значением по умолчанию для всех объектов в области файлов. Заметим, что на практике это не приводит к скрытым семантическим изменениям между идентичным кодом C и C++, но вместо этого приведет к ошибке компиляции или связывания.
• В C использование встроенных функций требует ручного добавления объявления прототипа функции с использованием ключевого слова extern ровно в одной единице трансляции, чтобы гарантировать, что не встроенная версия связана, тогда как C++ обрабатывает это автоматически. Более подробно, C различает два вида определений встроенных функций: обычные внешние определения (где явно используется extern) и встроенные определения. C++, с другой стороны, предоставляет только встроенные определения для встроенных функций. В C встроенное определение аналогично внутреннему (т.е. статическому) определению в том смысле, что оно может сосуществовать в одной и той же программе с одним внешним определением и любым количеством внутренних и встроенных определений одной и той же функции в других единицах трансляции, все из которых могут отличаться. Это отдельное соображение от связи функции, но не независимое. Компиляторам C предоставляется свобода выбора между использованием встроенных и внешних определений одной и той же функции, когда оба они видны. C++, однако, требует, чтобы если функция с внешней связью была объявлена inline в любой единице трансляции, то она должна быть объявлена (и, следовательно, также определена) в каждой единице трансляции, где она используется, и чтобы все определения этой функции были идентичны, следуя правилу одного определения. Обратите внимание, что статические встроенные функции ведут себя одинаково в C и C++.
• И C99, и C++ имеют логический тип bool с константами true и false, но они определены по-разному. В C++ bool — это встроенный тип и зарезервированное ключевое слово. В C99 новое ключевое слово _Bool вводится как новый логический тип. Заголовок stdbool.h содержит макросы bool, true и false, которые определены как _Bool, 1 и 0 соответственно. Следовательно, true и false имеют тип int в C.

Некоторые другие отличия от предыдущего раздела также могут быть использованы для создания кода, который компилируется на обоих языках, но ведет себя по-разному. Например, следующая функция будет возвращать разные значения в C и C++:

extern int T;

int size(void)
{
    struct T {  int i;  int j;  };
    
    return sizeof(T);
    /* C:   вернет sizeof(int)
     * C++: вернет sizeof(struct T)
     */
}

Это связано с тем, что C требует struct перед тегами структуры (и поэтому sizeof(T) ссылается на переменную), но C++ позволяет его опустить (и поэтому sizeof(T) ссылается на неявный typedef). Имейте в виду, что результат отличается, когда объявление extern помещается внутри функции: тогда наличие идентификатора с тем же именем в области действия функции препятствует вступлению в силу неявного typedef для C++, и результат для C и C++ будет одинаковым. Обратите также внимание, что двусмысленность в приведенном выше примере связана с использованием круглой скобки с оператором sizeof. Использование sizeof T ожидало бы, что T будет выражением, а не типом, и, следовательно, пример не будет компилироваться с C++.

Связывание кода C и C++

В то время как C и C++ поддерживают высокую степень совместимости исходных текстов, объектные файлы, создаваемые их соответствующими компиляторами, могут иметь важные различия, которые проявляются при смешивании кода C и C++. Особенно:

• Компиляторы C не называют искаженные символы (англ. name mangle symbols) так, как это делают компиляторы C++.
• В зависимости от компилятора и архитектуры, также может быть так, что соглашения о вызовах различаются между двумя языками.

По этим причинам, чтобы код C++ вызывал функцию C foo(), код C++ должен создавать прототип foo() с помощью extern "C". Аналогично, чтобы код C вызывал функцию C++ bar(), код C++ для bar() должен быть объявлен с extern "C".

Обычная практика для заголовочных файлов для поддержания совместимости как с C, так и С++ заключается в том, чтобы сделать его объявление extern "C" для области видимости заголовка:

/* Заголовочный файл foo.h */
#ifdef __cplusplus /* Если это компилятор C++, свяжите с C*/
extern "C" {
#endif

/* Эти функции получают связь C */
void foo();
 
struct bar { /* ... */ };

#ifdef __cplusplus /* Если это компилятор C++, завершите связывание C */
}
#endif

Различия между соглашениями о связывании и вызовах C и C++ также могут иметь тонкие последствия для кода, использующего указатели на функции. Некоторые компиляторы выдадут нерабочий код, если указатель функции, объявленный extern "C", указывает на функцию C++, которая не объявлена extern "C".

Например, следующий код:

void my_function();
extern "C" void foo(void (*fn_ptr)(void));

void bar()
{
   foo(my_function);
}

Используя компилятор C++ от Sun Microsystems, это выдает следующее предупреждение:

 $ CC -c test.cc
 "test.cc", line 6: Warning (Anachronism): Formal argument fn_ptr of type
 extern "C" void(*)() in call to foo(extern "C" void(*)()) is being passed
 void(*)().

Это связано с тем, что my_function() не объявляется с помощью соглашений о связывании и вызовах C, а передается функции C foo().

Внешние ссылки

• Detailed comparison, sentence by sentence, from a C89 Standard perspective.
• Incompatibilities Between ISO C and ISO C++, David R. Tribble (August 2001).
• Oracle (Sun Microsystems) C++ Migration Guide, section 3.11, Oracle/Sun compiler docs on linkage scope.
• Oracle: Mixing C and C++ Code in the Same Program, overview by Steve Clamage (ANSI C++ Committee chair).

Категория:Язык программирования Си Категория:C++