C++从入门到精通——内联函数

内联函数

• 前言
• 一、内联函数概念
• • 为什么会出现内联函数
  • • C语言使用宏定义编写两数交换
  • 内联函数的概念
• 二、内联函数的查看方式
• 三、内联函数的特性
• 四、关于内联函数的题目
• • 宏的优缺点
  • C++有哪些技术替代宏
  • 注意点

前言

内联函数是一种优化手段，通过在编译时将函数调用替换为函数体本身的复制品，以减少函数调用的开销。它适用于函数体较小、调用频繁的情况。使用内联函数可以提高程序执行效率，但也会增加最终生成的代码大小。在C++中，可以使用inline关键字声明内联函数。然而，编译器对于是否真正内联一个函数有最终决定权，即使函数被声明为内联，编译器也可以选择不进行内联。

一、内联函数概念

为什么会出现内联函数

C语言使用宏定义编写两数交换

引例：C语言可以使用宏定义实现两数交换的功能。下面是一个示例的代码：

#include <stdio.h>

#define SWAP(a, b)  do { \
                        int temp = a; \
                        a = b; \
                        b = temp; \
                    } while (0)

int main() {
    int num1 = 10;
    int num2 = 20;

    printf("Before swap: num1 = %d, num2 = %d\n", num1, num2);

    SWAP(num1, num2);

    printf("After swap: num1 = %d, num2 = %d\n", num1, num2);

    return 0;
}

这段代码中定义了一个宏 SWAP，使用 do-while 循环实现交换。在 main 函数中声明了两个变量 num1 和 num2，然后调用 SWAP 宏进行交换，最后打印结果。运行程序，输出如下：

Before swap: num1 = 10, num2 = 20
After swap: num1 = 20, num2 = 10

C++中引入了内联函数的概念，主要是为了提高程序的性能。在C语言中没有内联函数的概念，我们通常会使用宏定义来实现，但是宏定义的写法过于困难，如上所示的宏定义实现的交换，所以便在C++中便提出内联函数这个概念，来替代宏定义写的函数。

内联函数的作用是在编译时将函数的代码嵌入调用的地方，而不是通过函数调用的方式执行。

内联函数的优点有以下几点：

1. 减少函数调用的开销：函数调用会涉及到栈的操作、参数传递和返回值的处理等，而内联函数的代码直接嵌入到调用的地方，避免了这些开销。

2. 减少函数调用带来的代码膨胀：函数调用会导致代码中出现大量的跳转指令，而内联函数的代码直接嵌入到调用的地方，可以减少跳转指令的数量，使代码更加紧凑。

3. 提高缓存命中率：内联函数的代码嵌入到调用的地方，可以减少函数调用时的跳转，使得程序的指令更加连续，更有可能被CPU缓存命中，提高程序的执行效率。

需要注意的是，内联函数适用于函数体较小、频繁调用的情况。对于函数体过大或者调用频率较低的函数，使用内联可能会导致代码膨胀、降低缓存命中率，反而影响性能。因此，使用内联函数需要根据具体情况进行权衡和选择。

内联函数的概念

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，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。

二、内联函数的查看方式

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)

三、内联函数的特性

1. inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用
   • 缺陷：可能会使目标文件变大
   • 优势：少了调用开销，提高程序运行效率
2. inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同
   • 一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。
   • 下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：
     
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。

// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);
// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
 	cout << i << endl;
}
// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
	 f(10);
	 return 0;
}
// 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

对于这种情况，我们可以直接在头文件中直接定义

inline void f(int i)
{
 	cout << i << endl;
}

四、关于内联函数的题目

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 。

C++有哪些技术替代宏

1. 常量定义 换用const 或 enum
2. 短小函数定义 换用内联函数

注意点

直接定义在类内部的函数被默认视为内联函数，是因为这些函数一般比较简单，且会被频繁调用。将它们声明为内联函数可以提高函数调用的效率，减少了函数调用的开销。

内联函数的实现方式是将函数的定义直接插入到函数调用的地方，而不是通过函数调用的方式来执行。这样做可以避免函数调用的开销，包括参数传递、栈帧的创建和销毁等。由于内联函数的代码会被复制到调用的地方，所以在性能上会比函数调用更高效。

需要注意的是，编译器会根据条件自动决定是否将函数声明为内联函数，而不是开发者手动指定。因此，即使将函数定义在类内部，也不一定总是会被认为是内联函数。编译器会根据函数的复杂度和调用情况等因素综合考虑是否将其声明为内联函数。