C++从入门到精通——内联函数

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