C++学习——内联函数详解

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一、内联函数的简介

1、意义何在

函数是一个可以重复使用的代码块，CPU 会一条一条地挨着执行其中的代码。CPU 在执行主调函数代码时如果遇到了被调函数，主调函数就会暂停，CPU 转而执行被调函数的代码；被调函数执行完毕后再返回到主调函数，主调函数根据刚才的状态继续往下执行。

一个 C/C++ 程序的执行过程可以认为是多个函数之间的相互调用过程，它们形成了一个或简单或复杂的调用链条，这个链条的起点是 main()，终点也是 main()。当 main() 调用完了所有的函数，它会返回一个值（例如return 0;）来结束自己的生命，从而结束整个程序。

函数调用是有时间和空间开销的。程序在执行一个函数之前需要做一些准备工作，要将实参、局部变量、返回地址以及若干寄存器都压入栈中，然后才能执行函数体中的代码；函数体中的代码执行完毕后还要清理现场，将之前压入栈中的数据都出栈，才能接着执行函数调用位置以后的代码。

如果函数体代码比较多，需要较长的执行时间，那么函数调用机制占用的时间可以忽略；如果函数只有一两条语句，那么大部分的时间都会花费在函数调用机制上，这种时间开销就就不容忽视。

为了消除函数调用的时空开销，C++ 提供一种提高效率的方法，即在编译时将函数调用处用函数体替换，类似于C语言中的宏展开。

这种在函数调用处直接嵌入函数体的函数称为内联函数（Inline Function）。 

2、语法格式

指定内联函数的方法很简单，只需要在函数定义处增加 inline 关键字。

注意，要在函数定义处添加 inline 关键字，在函数声明处添加 inline 关键字是无效的，编译器会忽略函数声明处的 inline 关键字。

请看下面的例子：

#include 
using namespace std;
 
//内联函数，交换两个数的值
inline void swap(int *a, int *b){
    int temp;
    temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}
 
int main(){
    int m, n;
    cin>>m>>n;
    cout<", "<
    swap(&m, &n);//第16行
    cout<", "<
 
    return 0;
}

当编译器遇到函数调用swap(&m, &n)时，会用 swap() 函数的代码替换swap(&m, &n)，同时用实参代替形参，则第 16 行就被置换成： 

int temp;
temp = *(&m);
*(&m) = *(&n);
*(&n) = temp;

编译器可能会将 *(&m)、*(&n) 分别优化为 m、n。
 

3、其他说明

（1）当函数比较复杂时，函数调用的时空开销可以忽略，大部分的 CPU 时间都会花费在执行函数体代码上，所以我们一般是将非常短小的函数声明为内联函数。

（2）由于内联函数比较短小，我们通常的做法是省略函数声明，而将整个函数定义放在本应该提供函数声明的地方。

（3）对函数作 inline 声明只是程序员对编译器提出的一个建议，而不是强制性的，并非一经指定为 inline 编译器就必须这样做。编译器有自己的判断能力，它会根据具体情况决定是否这样做。

（4）使用内联函数的缺点也是非常明显的，编译后的程序会存在多份相同的函数拷贝，如果被声明为内联函数的函数体非常大，那么编译后的程序体积也将会变得很大，所以再次强调，一般只将那些短小的、频繁调用的函数声明为内联函数。

二、用内联函数代替带参数的宏

我们知道，宏是可以带参数的，它在形式上和函数非常相似。但宏仅仅是字符串替换，不像函数那样按值传递，所以在编写宏时要特别注意，一不小心可能就会踩坑，而且不一定在编译和运行时发现，给程序埋下隐患。

比如下面的例子：求一个数的平方。

#include 
using namespace std;
 
#define SQ(y) y*y
 
int main(){
    int n, sq;
    cin>>n;
    sq = SQ(n);
    cout<
    return 0;
}

运行结果：
9↙
81

从表面上看这个宏定义是正确的，但当我们将宏调用SQ(n)换成SQ(n+1)后，就会出现意想不到的状况：

#include 
using namespace std;
 
#define SQ(y) y*y
 
int main(){
    int n, sq;
    cin>>n;
    sq = SQ(n+1);
    cout<
    return 0;
}

运行结果：
9↙
19

我们期望的结果是 100，但这里却是 19，两者大相径庭。这是因为，宏展开仅仅是字符串的替换，不会进行任何计算或传值，上面的sq = SQ(n+1);在宏展开后会变为sq = n+1*n+1;，这显然是没有道理的。 

如果希望得到正确的结果，应该将宏定义改为如下的形式：

#define SQ(y) (y)*(y)

这样宏调用sq = SQ(n+1);就会展开为sq = (n+1)*(n+1);，得到的结果就是 100。

如果你认为这样就万事大吉了，那下面的结果会让你觉得考虑不周：

#include 
using namespace std;
 
#define SQ(y) (y)*(y)
 
int main(){
    int n, sq;
    cin>>n;
    sq = 200 / SQ(n+1);
    cout<
    return 0;
}

运行结果：
9↙
200

之所以会出现这么奇怪的结果，是因为宏调用sq = 200 / SQ(n+1);会被展开为sq = 200 / (n+1) * (n+1);，当 n 被赋值 9 后，相当于sq = 200 / 10 * 10，结果显然是 200。

要想得到正确的结果，还应该对宏加以限制，在两边增加( )，如下所示：

#define SQ(y) ( (y)*(y) )

这样宏调用sq = 200 / SQ(n+1);就会展开为sq = 200 / ( (n+1) * (n+1) );，得到的结果就是 2。

如果我们用内联函数代替带参数的宏，情况就没有那么复杂了。请看下面的代码：

#include 
using namespace std;
 
inline int SQ(int y){ return y*y; }
 
int main(){
    int n, sq;
    cin>>n;
    //SQ(n)
    sq = SQ(n);
    cout<
    //SQ(n+1)
    sq = SQ(n+1);
    cout<
    //200 / SQ(n+1)
    sq = 200 / SQ(n+1);
    cout<
 
    return 0;
}

运行结果：
9↙
81
100
2

看，一切问题迎刃而解！发生函数调用时，编译器会先对实参进行计算，再将计算的结果传递给形参，并且函数执行完毕后会得到一个值，而不是得到一个表达式，这和简单的字符串替换相比省去了很多麻烦，所以在编写C++代码时，推荐使用内联函数来替换带参数的宏。

和宏一样，内联函数可以定义在头文件中（不用加 static 关键字），并且头文件被多次#include后也不会引发重复定义错误（因为会用函数体替换）。这一点和非内联函数不同，非内联函数是禁止定义在头文件中的，它所在的头文件被多次#include后会引发重复定义错误。

这是因为内联函数在编译时会将函数调用处用函数体替换，编译完成后函数就不存在了，所以在链接时不会引发重复定义错误。这一点和宏很像，宏在预处理时被展开，编译时就不存在了。从这个角度讲，内联函数更像是编译期间的宏。

三、规范使用内联函数

inline 关键字可以只在函数定义处添加，也可以只在函数声明处添加，也可以同时添加；但是在函数声明处添加 inline 关键字是无效的，编译器会忽略函数声明处的 inline 关键字。也就是说，inline 是一种“用于实现的关键字”，而不是一种“用于声明的关键字”。

尽管大多数教科书中在函数声明和函数定义处都增加了 inline 关键字，但我认为 inline 关键字不应该出现在函数声明处。这个细节虽然不会影响函数的功能，但是体现了高质量 C++ 程序设计风格的一个基本原则：声明与定义不可混为一谈，用户没有必要、也不应该知道函数是否需要内联。

更为严格地说，内联函数不应该有声明，应该将函数定义放在本应该出现函数声明的地方，这是一种良好的编程风格。

在多文件编程中，我们通常将函数的定义放在源文件中，将函数的声明放在头文件中，希望调用函数时，引入对应的头文件即可，我们鼓励这种将函数定义和函数声明分开的做法。但这种做法不适用于内联函数，将内联函数的声明和定义分散到不同的文件中会出错，请看下面的例子。

main.cpp 代码：

#include 
using namespace std;
 
//内联函数声明
void func();
 
int main(){
    func();
    return 0;
}

module.cpp 代码：

#include 
using namespace std;
 
//内联函数定义
inline void func(){
    cout<<"inline function"<
}

上面的代码能够正常编译，但在链接时会出错，如下所示。

C:\Users\XJH\Desktop>g++ -S main.cpp module.cpp //只编译，得到main.s module.s
 
C:\Users\XJH\Desktop>g++ -c main.s module.s //接着汇编，得到main.o module.o
 
C:\Users\XJH\Desktop>g++ main.o module.o //最后进行链接，会报错
main.o:main.cpp:(.text+0xc): undefined reference to `func()'
collect2.exe: 错误：ld 返回 1
 
C:\Users\XJH\Desktop>

func() 是内联函数，编译期间会用它来替换函数调用处，编译完成后函数就不存在了，链接器在将多个目标文件（.o或.obj文件）合并成一个可执行文件时找不到 func() 函数的定义，所以会产生链接错误。

内联函数虽然叫做函数，在定义和声明的语法上也和普通函数一样，但它已经失去了函数的本质。函数是一段可以重复使用的代码，它位于虚拟地址空间中的代码区，也占用可执行文件的体积，而内联函数的代码在编译后就被消除了，不存在于虚拟地址空间中，没法重复使用。

内联函数看起来简单，但是有很多细节需要注意，从代码重复利用的角度讲，内联函数已经不再是函数了。因此，将内联函数作为带参宏的替代方案更为靠谱，而不是真的当做函数使用。

在多文件编程时，建议将内联函数的定义直接放在头文件中，并且禁用内联函数的声明。