【 C++入门 】内联函数、auto关键字、指针空值nullptr

目录

1、内联函数

        概念

        特性

        经典面试题

2、auto关键字（C++11）

        auto简介

        auto的使用细则

        auto不能推导的场景

        auto的实际应用价值

3、基于范围的for循环（C++11）

        范围for的语法

        范围for的使用条件

4、指针空值nullptr（C++11）

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1、内联函数

概念

以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数压栈的开销，内联函数提升程序运行的效率。

以Add函数为例：

int Add(int x, int y)
{
	int z = x + y;
	return z;
}

上述Add函数如若频繁调用，则效率上会存在一定的损失。假设我调用10次，那么就要建立十次栈帧，建立栈帧又要保存寄存器，压参数等等一系列操作都会造成效率损失。

• 那么其实在我们先前学习的C语言中，就给出了解决方案：宏

#define ADD(x, y) ((x) + (y))

• 既然用宏就可以解决，C++为何引出inline?

使用宏确实可以帮助我们避免调用栈帧继而不会造成效率损失，但是宏的写法上欠妥，我们需要注意结尾不能加分号，要注意优先级带来的问题而频繁加括号……C++为了填补宏书写规则麻烦的坑，专门出了一个更为方便书写的，也就是今个儿要谈论的内联函数（inline）。综上，结论如下：

1. 解决宏函数晦涩难懂，容易写错的问题
2. 解决宏不支持调试，不支持类型安全的检查等问题

• 内联函数（inline）如何使用？

只需要在函数前面加上inline即可：

inline int Add(int x, int y)
{
	int z = x + y;
	return z;
}

此时我们再调用函数就不会再建立栈帧了，函数直接会在调用的地方展开。

• 内联函数（inline）如何支持调试的呢？

我们需要查看其反汇编，查看方式：

1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
2. 在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化，以下给出vs2013的设置方式)

 

执行完上述指令后 ，我们在debug版的编译器就设置好了，再来看下其反汇编：

仔细看，此时每调用一次Add函数，均不会有call指令了， 此时再和我们没有加inline调用栈帧的版本对比下：

• 综上：inline的好处如下：

1. debug支持调试
2. 不易写错，就是普通函数的写法

特性

1. inline是一种以空间换时间的做法，省去调用函数额开销。所以代码很长或者有循环/递归的函数不适宜使用作为内联函数。
2. inline对于编译器而言只是一个建议，编译器会自动优化，如果定义为inline的函数体内有循环/递归等等，编译器优化时会忽略掉内联。
3. inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到。

• 解释特性1和2：

假设我们现在有一个10行的函数，如若该函数有1000个调用的地方，如果inline替换，则是1000*10条指令，如果不替换，则是1000+10条指令，二者相差10倍之大，由此可见，代码很长或调用次数过多或存在循环/递归不适宜用内联函数

• 代码演示：

此段代码还能够证明inline对于编译器只是一个建议 

• 解释特性3：inline不建议声明和定义分离

// F.h文件
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);
// F.cpp文件
#include "F.h"
void f(int i)
{
	cout << i << endl;
}
// test.cpp文件
#include "F.h"
int main()
{
	f(10);
	return 0;
}

此段代码中，inline函数的声明和定义分离，此时我们编译没有错误，可是在链接时发生错误：

原因如下：

F.h声明了我是一个内联函数，F.h文件会在F.cpp文件展开，要注意，inline函数在编译过程中不会生成地址，其符号表里没有地址，我F.cpp文件中调用时找不到该函数地址。所以inline不建议声明和定义分离。

解决方法如下：

将声明和定义都放到F.h文件，就没有问题了，总之就是声明定义不能分离。

经典面试题

• 问题1：宏的优缺点？

优点：

1. 增强代码的复用性
2. 提高性能

缺点：

1. 不方便调试宏（因为预编译阶段进行了替换）
2. 导致代码可读性差，可维护性差，容易误用
3. 没有类型安全的检查

• 问题2：C++有哪些技术代替宏？

1. 常量定义，换用const
2. 函数定义，换用内联函数

2、auto关键字（C++11）

auto简介

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？

C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

简单来说：先前定义变量要在变量前指定类型，使用auto可以不指定类型，让右边赋的值进行推导，如示例：

int a = 10;
auto b = a;
auto c = 'a';

这里a的类型是整型，那么自动推出b的类型为int，而'a'为char类型，自然c就是char类型。

• 补充：

这里补充一个知识点：typeid().name。它是专门用来输出一个变量的类型，返回的是一个字符串。

• 代码演示：

int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	const int a = 10;
	auto b = a;
	auto m = &a;
	auto c = 'a';
	auto d = TestAuto();
	cout << typeid(b).name() << endl; // int
	cout << typeid(m).name() << endl; // int const *
	cout << typeid(c).name() << endl; // char 
	cout << typeid(d).name() << endl; // int
	//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化
	return 0;
}

• 注意：

使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

auto的使用细则

•  1、auto与指针和引用结合起来使用

用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&

int main()
{
	int x = 10;
	auto a = &x;
	auto* b = &x;
	auto& c = x;
	cout << typeid(a).name() << endl; // int*
	cout << typeid(b).name() << endl; // int*
	cout << typeid(c).name() << endl; // int
	*a = 20;
	*b = 30;
	c = 40;
	return 0;
}

• 2、在同一行定义多个变量

当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

void TestAuto()
{
	auto a = 1, b = 2;
	auto c = 3, d = 4.0; // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

auto不能推导的场景

• 1、auto不能作为函数的参数

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}

• 2、auto不能做返回值

auto Test()
{
	return 10; // err
}

• 3、auto不能直接用来声明数组

void TestAuto()
{
	int a[] = { 1,2,3 };
	auto b[] = { 4，5，6 }; //err 错误
}

• 4、为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
• 5、auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

auto的实际应用价值

• 1、类型很长时，懒得写，可以让它自动推导

以后在我们学习到容器的时候，会写出这样的代码：

#include<map>
#include<string>
int main()
{
	std::map<std::string, std::string>dict;
	dict["sort"] = "排序";
	dict["string"] = "字符串";
//auto意义之一：类型很长时，懒得写，可以让它自动推导
	std::map<std::string, std::string>::iterator it = dict.begin();
	auto it = dict.begin();
	return 0;
}

我们使用auto就可以简化前面定义过长类型的代码，使其自动判断类型

• 2、基于范围的for循环

此意义我单独封装了一个模块来讲解它，详解见下文：

3、基于范围的for循环（C++11）

范围for的语法

在C语言中，如若我们要打印一串数组中的数据，我们可以这样写：

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(int); ++i)
		array[i] *= 2;
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(int); ++i)
		cout << array[i] << " "; // 2 4 6 8 10
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

因此在C++中，我们可以这样“玩”：

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(int); ++i)
		array[i] *= 2;
	for (auto e : array)
		cout << e << " "; // 2 4 6 8 10
}

此段代码就是范围for，它可以自动遍历，它会依次取数组中的数据赋值给e，自动判断结束

• 可现在我想对数组进行修改，使数组中每一个数字除以2，该怎么做呢？是如下这样嘛？

为什么按照图示的修改并没有起到作用呢？注意看范围for的规则，依次取数组中的数据赋值给e，这也就说明了e是数组中每个值的拷贝，e的改变不会影响数组。此时也就需要我们用到引用了 ，当我们给其取别名时，e的修改就会影响到原数组。

• 补充：

1、范围for里的auto也可以写成int，不过最好还是写成auto，毕竟auto可以自动推出数组的类型嘛，不用auto还要自己手动设置。把e改成其它的变量也是可以的，不强求。

2、与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

范围for的使用条件

• 1、for循环迭代的范围必须是确定的

对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供begin和end的方法，begin和end就是for循环迭代的范围。

注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定

void TestFor(int array[])
{
	for (auto& e : array)
		cout << e << endl;
}

用范围for必须是数组名，C语言有规定参数传递的过程中不能是数组，这里的形参是指针，自然不能用范围for的规则了。

• 2、迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题，以后会讲，现在简要了解一下就可以了

4、指针空值nullptr（C++11）

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

void TestPtr()
{
	int* p1 = NULL;
	int* p2 = 0;
	// ……
}

但是在C++中，我们推荐使用它：

int* p3 = nullptr;

前者中，NULL和0在C++其实是等价的，都不规范。NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
#endif

如果没有定义宏，如果在cplusplus里，NULL被定义成0。可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0。

• 注意：

1. 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。
2. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
3. 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。