C++ 为啥要引入内联函数、、

Posted 2023-05-04

C++ 为什么要引入内联函数、、？有什么作用？

　　引入内联函数的目的是为了解决程序中函数调用的效率问题。
　　函数是一种更高级的抽象。它的引入使得编程者只关心函数的功能和使用方法，而不必关心函数功能的具体实现；函数的引入可以减少程序的目标代码，实现程序代码和数据的共享。但是，函数调用也会带来降低效率的问题，因为调用函数实际上将程序执行顺序转移到函数所存放在内存中某个地址，将函数的程序内容执行完后，再返回到转去执行该函数前的地方。这种转移操作要求在转去前要保护现场并记忆执行的地址，转回后先要恢复现场，并按原来保存地址继续执行。因此，函数调用要有一定的时间和空间方面的开销，于是将影响其效率。特别是对于一些函数体代码不是很大，但又频繁地被调用的函数来讲，解决其效率问题更为重要。引入内联函数实际上就是为了解决这一问题。 参考技术A 在程序编译时，编译器将程序中出现的内联函数的调用表达式用内联函数的函数体来进行替换。明显，这种做法不会产生转去转回的问题，但是由于在编译时将函数休中的代码被替代到程序中，因此会增加目标程序代码量，进而增加空间开销，而在时间代销上不象函数调用时那么大，可见它是以目标代码的增加为代价来换取时间的节省。　　内联函数的定义方法　　定义内联函数的方法很简单，只要在函数定义的头前加上要害字inline即可。内联函数的定义方法与一般函数一样。如：　inline int add_int （int x， int y， int z）

　　

　　return x+y+z；

　　　　在程序中，调用其函数时，该函数在编译时被替代，而不是像一般函数那样是在运行时被调用。　　使用内联函数应注重的事项　　内联函数具有一般函数的特性，它与一般函数所不同之处公在于函数调用的处理。一般函数进行调用时，要将程序执行权转到被调用函数中，然后再返回到调用它的函数中；而内联函数在调用时，是将调用表达式用内联函数体来替换。在使用内联函数时，应注重如下几点：　　1.类内定义的函数是内联函数，类外定义的函数是非内联函数（短函数可以定义在类内，长函数可以定义在类外）。　　2.可以为类外定义的函数指定 inline 要害字，强行为内联函数。　　3.在内联函数内不答应用循环语句和开关语句。　　4.内联函数的定义必须出现在内联函数第一次被调用之前。 暂无留言！您可能会对以下信息感爱好： 参考技术B 因为它安全， 这才是最关键的， 参考技术C 使用函数能够避免将相同代码重写多次的麻烦，还能减少可执行程序的体积，但也会带来程序运行时间上的开销。
函数调用在执行时，首先要在栈中为形参和局部变量分配存储空间，然后还要将实参的值复制给形参，接下来还要将函数的返回地址（该地址指明了函数执行结束后，程序应该回到哪里继续执行）放入栈中，最后才跳转到函数内部执行。这个过程是要耗费时间的。
另外，函数执行 return 语句返回时，需要从栈中回收形参和局部变量占用的存储空间，然后从栈中取出返回地址，再跳转到该地址继续执行，这个过程也要耗费时间。
总之，使用函数调用语句和直接把函数中的代码重新抄写一遍相比，节省了人力，但是带来了程序运行时间上的额外开销。
一般情况下，这个开销可以忽略不计。但是，如果一个函数内部没有几条语句，执行时间本来就非常短，那么这个函数调用产生的额外开销和函数本身执行的时间相比，就显得不能忽略了。假如这样的函数在一个循环中被上千万次地执行，函数调用导致的时间开销可能就会使得程序运行明显变慢。
作为特别注重程序执行效率，适合编写底层系统软件的高级程序设计语言，C++ 用 inline 关键字较好地解决了函数调用开销的问题。
在 C++ 中，可以在定义函数时，在返回值类型前面加上 inline 关键字。如：
inline int Max (int a, int b)

if(a >b)
return a;
return b;

增加了 inline 关键字的函数称为“内联函数”。内联函数和普通函数的区别在于：当编译器处理调用内联函数的语句时，不会将该语句编译成函数调用的指令，而是直接将整个函数体的代码插人调用语句处，就像整个函数体在调用处被重写了一遍一样。
有了内联函数，就能像调用一个函数那样方便地重复使用一段代码，而不需要付出执行函数调用的额外开销。很显然，使用内联函数会使最终可执行程序的体积增加。以时间换取空间，或增加空间消耗来节省时间，这是计算机学科中常用的方法。
内联函数中的代码应该只是很简单、执行很快的几条语句。如果一个函数较为复杂，它执行的时间可能上万倍于函数调用的额外开销，那么将其作为内联函数处理的结果是付出让代码体积增加不少的代价，却只使速度提高了万分之一，这显然是不划算的。
有时函数看上去很简单，例如只有一个包含一两条语句的循环，但该循环的执行次数可能很多，要消耗大量时间，那么这种情况也不适合将其实现为内联函数。
另外，需要注意的是，调用内联函数的语句前必须已经出现内联函数的定义（即整个数体），而不能只出现内联函数的声明。

C++内联函数的使用

1、为什么要用内联函数?

在C++中我们通常定义以下函数来求两个整数的最大值：

int max(int a, int b)
{
    return a > b ? a : b;
}

为这么一个小的操作定义一个函数的好处有：

① 阅读和理解函数 max 的调用，要比读一条等价的条件表达式并解释它的含义要容易得多

② 如果需要做任何修改，修改函数要比找出并修改每一处等价表达式容易得多

③ 使用函数可以确保统一的行为，每个测试都保证以相同的方式实现

④ 函数可以重用，不必为其他应用程序重写代码

虽然有这么多好处，但是写成函数有一个潜在的缺点：调用函数比求解等价表达式要慢得多。在大多数的机器上，调用函数都要做很多工作：调用前要先保存寄存器，并在返回时恢复，复制实参，程序还必须转向一个新位置执行

C++中支持内联函数，其目的是为了提高函数的执行效率，用关键字 inline 放在函数定义(注意是定义而非声明，下文继续讲到)的前面即可将函数指定为内联函数，内联函数通常就是将它在程序中的每个调用点上“内联地”展开，假设我们将 max 定义为内联函数：

inline int max(int a, int b)
{
    return a > b ? a : b;
}

 

则调用： cout << max(a, b) << endl; 

在编译时展开为： cout << (a > b ? a : b) << endl;  从而消除了把 max写成函数的额外执行开销。

2、内联函数和宏

1、宏容易出错；

2、宏不可调试；

3、宏无法操作类的私有对象；

4、内联函数可以更加深入的优化；

无论是《Effective C++》中的 “Prefer consts，enums，and inlines to #defines” 条款，还是《高质量程序设计指南——C++/C语言》中的“用函数内联取代宏”，宏在C++中基本是被废了，在书《高质量程序设计指南——C++/C语言》中这样解释到：

3. 将内联函数放入头文件

关键字 inline 必须与函数定义体放在一起才能使函数成为内联，仅将 inline 放在函数声明前面不起任何作用。

如下风格的函数 Foo 不能成为内联函数：

inline void Foo(int x, int y);   // inline 仅与函数声明放在一起   
void Foo(int x, int y)
{
    //...
} 

 

而如下风格的函数 Foo 则成为内联函数：

void Foo(int x, int y);   
inline void Foo(int x, int y)   // inline 与函数定义体放在一起

所以说，C++ inline函数是一种“用于实现的关键字”，而不是一种“用于声明的关键字”。一般地，用户可以阅读函数的声明，但是看不到函数的定义。尽管在大多数教科书中内联函数的声明、定义体前面都加了 inline 关键字，但我认为 inline 不应该出现在函数的声明中。这个细节虽然不会影响函数的功能，但是体现了高质量C++/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。

定义在类声明之中的成员函数将自动地成为内联函数，例如：

class A
{  
public:
    void Foo(int x, int y) { ... }   // 自动地成为内联函数  
} 

但是编译器是否将它真正内联则要看 Foo函数如何定义

内联函数应该在头文件中定义，这一点不同于其他函数。编译器在调用点内联展开函数的代码时，必须能够找到 inline 函数的定义才能将调用函数替换为函数代码，而对于在头文件中仅有函数声明是不够的。

当然内联函数定义也可以放在源文件中，但此时只有定义的那个源文件可以用它，而且必须为每个源文件拷贝一份定义(即每个源文件里的定义必须是完全相同的)，当然即使是放在头文件中，也是对每个定义做一份拷贝，只不过是编译器替你完成这种拷贝罢了。但相比于放在源文件中，放在头文件中既能够确保调用函数是定义是相同的，又能够保证在调用点能够找到函数定义从而完成内联(替换)。

但是你会很奇怪，重复定义那么多次，不会产生链接错误？

 

我们来看一个例子：

// 文件A.h 代码如下:

class A
{
public:
    A(int a, int b) : a(a),b(b){}
    int max();
private:
    int a;
    int b;
};

// 文件A.cpp 代码如下:

#include "A.h"
inline int A::max()
{
    return a > b ? a : b;
}

// 文件Main.cpp 代码如下:

#include <iostream>
#include "A.h"
using namespace std;
inline int A::max()
{
    return a > b ? a : b;
}

int main()
{
    A a(3, 5);
    cout << a.max() << endl;
    return 0;
}

一切正常编译，输出结果：5

倘若你在Main.cpp中没有定义max内联函数，那么会出现链接错误： 
error LNK2001: unresolved external symbol "public: int __thiscall A::max(void)" ([email protected]@@QAEHXZ)main.obj 
找不到函数的定义，所以内联函数可以在程序中定义不止一次，只要 inline 函数的定义在某个源文件中只出现一次，而且在所有源文件中，其定义必须是完全相同的就可以。

在头文件中加入或修改 inline 函数时，使用了该头文件的所有源文件都必须重新编译。

4. 慎用内联

“如果所有的函数都是内联函数，还用得着“内联”这个关键字吗？

    内联是以代码膨胀（复制）为代价，仅仅省去了函数调用的开销，从而提高函数的执行效率。如果执行函数体内代码的时间，相比于函数调用的开销较大，那么效率的收获会很少。另一方面，每一处内联函数的调用都要复制代码，将使程序的总代码量增大，消耗更多的内存空间。以下情况不宜使用内联：

（1）如果函数体内的代码比较长，使用内联将导致内存消耗代价较高。

（2）如果函数体内出现循环，那么执行函数体内代码的时间要比函数调用的开销大。

    类的构造函数和析构函数容易让人误解成使用内联更有效。要当心构造函数和析构函数可能会隐藏一些行为，如“偷偷地”执行了基类或成员对象的构造函数和析构函数。所以不要随便地将构造函数和析构函数的定义体放在类声明中。”

————《高质量程序设计指南——C++/C语言》 林锐

 

而在Google C++编码规范中则规定得更加明确和详细：

内联函数：

Tip： 只有当函数只有 10 行甚至更少时才将其定义为内联函数.

定义: 当函数被声明为内联函数之后, 编译器会将其内联展开, 而不是按通常的函数调用机制进行调用. 
优点: 当函数体比较小的时候, 内联该函数可以令目标代码更加高效. 对于存取函数以及其它函数体比较短, 性能关键的函数, 鼓励使用内联. 
缺点: 滥用内联将导致程序变慢. 内联可能使目标代码量或增或减, 这取决于内联函数的大小. 内联非常短小的存取函数通常会减少代码大小, 但内联一个相当大的函数将戏剧性的增加代码大小. 现代处理器由于更好的利用了指令缓存, 小巧的代码往往执行更快。 
结论: 一个较为合理的经验准则是, 不要内联超过 10 行的函数. 谨慎对待析构函数, 析构函数往往比其表面看起来要更长, 因为有隐含的成员和基类析构函数被调用! 
另一个实用的经验准则: 内联那些包含循环或 switch 语句的函数常常是得不偿失 (除非在大多数情况下, 这些循环或 switch 语句从不被执行). 
有些函数即使声明为内联的也不一定会被编译器内联, 这点很重要; 比如虚函数和递归函数就不会被正常内联. 通常, 递归函数不应该声明成内联函数.(递归调用堆栈的展开并不像循环那么简单, 比如递归层数在编译时可能是未知的, 大多数编译器都不支持内联递归函数). 虚函数内联的主要原因则是想把它的函数体放在类定义内, 为了图个方便, 抑或是当作文档描述其行为, 比如精短的存取函数.

-inl.h文件：

Tip： 复杂的内联函数的定义, 应放在后缀名为 -inl.h 的头文件中.

内联函数的定义必须放在头文件中, 编译器才能在调用点内联展开定义. 然而, 实现代码理论上应该放在 .cc 文件中, 我们不希望 .h 文件中有太多实现代码, 除非在可读性和性能上有明显优势.

如果内联函数的定义比较短小, 逻辑比较简单, 实现代码放在 .h 文件里没有任何问题. 比如, 存取函数的实现理所当然都应该放在类定义内. 出于编写者和调用者的方便, 较复杂的内联函数也可以放到 .h 文件中, 如果你觉得这样会使头文件显得笨重, 也可以把它萃取到单独的 -inl.h 中. 这样把实现和类定义分离开来, 当需要时包含对应的 -inl.h 即可。