C++ Name Mangling 与 Demangling：理解 C++ 符号的底层表示

好的，各位观众老爷，今天咱们来聊聊 C++ 里一个挺有意思，但也经常让人头疼的玩意儿：Name Mangling 和 Demangling。简单来说，就是 C++ 编译器怎么给函数和变量起“暗号”，以及咱们怎么把这些“暗号”翻译回人话。

第一幕：啥是 Name Mangling？为啥要有这玩意？

首先，啥是 Name Mangling？中文里，有叫“名字修饰”的，也有叫“名字改编”的，意思都差不多。它指的是 C++ 编译器为了支持函数重载、命名空间、类等特性，把函数和变量的名字进行编码，变成一个更复杂、更独特的字符串。

为啥要这么干呢？你想想，C++ 允许函数重载，也就是可以有多个函数名字一样，但是参数列表不一样。比如：

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

如果我们直接用 add 这个名字，编译器咋知道你调用的是哪个 add？ 就算没有重载，C++还有命名空间， namespace A { void foo(); } 和 namespace B { void foo(); } 两个 foo 函数，名字一样，编译器也需要区分。

所以，编译器必须给每个函数和变量生成一个独一无二的名字，才能在链接的时候不出岔子。这个过程就是 Name Mangling。

第二幕：Name Mangling 的规则：一团乱麻？

Name Mangling 的规则比较复杂，而且不同的编译器（比如 GCC、Clang、MSVC）的规则还不一样！这真是让人头大。

不过，我们可以了解一些基本的规则，起码能看懂个大概。

• 基本原则： 编译器会把函数名、参数类型、命名空间、类名等信息编码到 Mangled Name 里。

• 常见符号：

  • _Z (GCC/Clang): Mangled Name 的起始标志。
  • ? (MSVC): Mangled Name 的起始标志。
  • N (GCC/Clang): 命名空间的开始。
  • E (GCC/Clang): 命名空间的结束。
  • I (GCC/Clang): 模板实例化的开始
  • v： void
  • i： int
  • d： double
  • f： float
  • P： 指针

• 举个栗子 (GCC/Clang):

  namespace MySpace {
      class MyClass {
      public:
          int myMethod(int x, double y);
      };
  }

  这个 myMethod 函数的 Mangled Name 可能是这样的：_ZN8MySpace7MyClass9myMethodEidi

  分解一下：

  • _Z: 起始标志
  • N: 命名空间开始
  • 8MySpace: 命名空间名长度为 8，名字是 MySpace
  • 7MyClass: 类名长度为 7，名字是 MyClass
  • 9myMethod: 函数名长度为 9，名字是 myMethod
  • E: 命名空间结束
  • i: 第一个参数是 int
  • d: 第二个参数是 double

• 再来一个栗子 (MSVC):

  int __stdcall MyFunction(int a, float b);

  这个 MyFunction 函数的 Mangled Name 可能是这样的：?MyFunction@@YGHIH@Z

  分解一下：

  • ?: 起始标志
  • MyFunction: 函数名
  • @@: 分隔符
  • YG: 调用约定 (__stdcall)
  • H: int
  • I: float
  • H: int
  • @Z: 结束标志

表格总结 (GCC/Clang 常见符号):

符号	含义
_Z	Mangled Name 起始标志
N	命名空间开始
E	命名空间结束
C	常量 (const)
V	volatile
v	void
i	int
l	long
x	long long
f	float
d	double
b	bool
P	指针
R	引用
F	函数类型
T	模板
I	模板实例化的开始

表格总结 (MSVC 常见符号):

符号	含义
?	Mangled Name 起始标志
@@	分隔符
Y	调用约定
H	int
I	float
N	double
_	__stdcall 调用约定
A	__cdecl 调用约定
E	__thiscall 调用约定
M	静态成员
Q	const
R	引用
@Z	结束标志

重要提示： 这些规则只是个大概，具体的 Mangling 规则非常复杂，而且会随着编译器版本变化。不要试图完全记住所有规则，理解基本原理就好。

第三幕：Demangling：把“暗号”翻译成人话

Name Mangling 后的名字，人类是看不懂的。所以，我们需要 Demangling，也就是把 Mangled Name 翻译回人话。

• 工具： 很多编译器都提供了 Demangling 工具。

  • c++filt (GCC/Clang): Unix-like 系统下常用的 Demangling 工具。
  • undname (MSVC): Windows 下的 Demangling 工具。

• 使用方法：

  # GCC/Clang
  c++filt _ZN8MySpace7MyClass9myMethodEidi
  
  # MSVC (在 Visual Studio 开发人员命令提示符中)
  undname "?MyFunction@@YGHIH@Z"

• 在线 Demangler： 网上也有很多在线 Demangler 工具，方便快捷。

• 代码 Demangling： 也可以在代码里进行 Demangling，但这通常需要使用特定的库或者编译器扩展，可移植性较差，不太推荐。

第四幕：实战演练：查看 Mangled Name

怎么知道一个函数或者变量的 Mangled Name 呢？

• 编译器的输出： 编译器的错误信息和警告信息里，有时会包含 Mangled Name。
• 反汇编工具： 使用反汇编工具（比如 objdump、IDA Pro）可以查看编译后的目标文件里的 Mangled Name。
• 链接器： 链接器在链接过程中也会用到 Mangled Name，可以在链接器的输出里找到。
• nm 工具: nm 工具可以列出一个目标文件或者库文件中的符号表，其中就包含 Mangled Name。

举个栗子：

1. 创建 C++ 文件 (test.cpp):

   #include <iostream>
   
   namespace MySpace {
       class MyClass {
       public:
           int myMethod(int x, double y) {
               std::cout << "Hello from myMethod!" << std::endl;
               return 0;
           }
       };
   }
   
   int main() {
       MySpace::MyClass obj;
       obj.myMethod(10, 3.14);
       return 0;
   }

2. 编译：

   g++ -c test.cpp -o test.o

3. 使用 nm 查看 Mangled Name：

   nm test.o

   输出结果可能包含类似这样的行：

   0000000000000000 T _ZN8MySpace7MyClass9myMethodEidi

   这就是 myMethod 函数的 Mangled Name。

4. 使用 c++filt 进行 Demangling：

   c++filt _ZN8MySpace7MyClass9myMethodEidi

   输出结果：

   MySpace::MyClass::myMethod(int, double)

   是不是清晰多了？

第五幕：Name Mangling 的应用场景

• 动态链接库 (DLL/SO): 动态链接库需要使用 Mangled Name 来解决符号冲突和函数重载的问题。
• 库的兼容性： 由于不同编译器的 Mangling 规则不一样，所以用不同编译器编译的库，可能无法直接链接在一起。
• 调试： 在调试过程中，如果看到 Mangled Name，可以使用 Demangling 工具来理解代码的含义。
• 逆向工程： 在逆向工程中，理解 Name Mangling 规则可以帮助分析代码的结构。

第六幕：Name Mangling 的坑：兼容性问题

Name Mangling 最大的问题就是兼容性。由于不同编译器 Mangling 规则不一样，所以：

• 不同编译器编译的库，不能混用。 比如，用 GCC 编译的库，不能直接链接到用 MSVC 编译的程序里。
• 即使是同一个编译器，不同版本之间，Mangling 规则也可能发生变化。 这会导致库的二进制兼容性问题。

为了解决这个问题，可以考虑以下方案：

• 使用 C 接口： C 语言没有 Name Mangling，所以可以使用 C 接口作为桥梁，连接不同编译器编译的代码。
• 使用标准 ABI： 一些平台定义了标准的 ABI (Application Binary Interface)，规定了 Name Mangling 的规则，可以提高兼容性。
• 避免使用复杂的 C++ 特性： 尽量避免使用复杂的 C++ 特性（比如模板、重载等），可以减少 Name Mangling 带来的问题。

第七幕：总结与建议

Name Mangling 是 C++ 编译器为了支持函数重载、命名空间等特性而采用的一种技术。虽然 Mangling 规则比较复杂，而且容易引起兼容性问题，但是它是 C++ 语言的重要组成部分。

• 理解 Name Mangling 的基本原理，可以帮助我们更好地理解 C++ 的底层机制。
• 学会使用 Demangling 工具，可以方便地查看和理解 Mangled Name。
• 在实际开发中，要尽量避免 Name Mangling 带来的兼容性问题。

给各位观众老爷的建议：

• 不要试图完全记住所有 Mangling 规则。
• 善用 Demangling 工具。
• 关注编译器的文档，了解最新的 Mangling 规则。
• 在需要兼容性的场景下，尽量使用 C 接口。

好了，今天的 Name Mangling 和 Demangling 就聊到这里。希望各位观众老爷有所收获！ 咱们下次再见！