C++ 入门基础之三
大纲
C++ 对 C 语言的函数扩展
内联函数
什么是内联函数
在 C 语言中,使用宏定义函数这种借助编译器的优化技术来减少程序的执行时间,那么在 C++ 中有没有相同的技术或者更好的实现方法呢?答案是有的,那就是内联函数。内联函数作为编译器优化手段的一种技术,在降低程序运行时间上非常有用。C++ 的内联函数是通常与类一起使用。如果一个函数是内联的,那么在编译时,编译器会把该函数的代码副本放置在每个调用该函数的地方。对内联函数进行任何修改,都需要重新编译函数的所有客户端,因为编译器需要重新更换一次所有的代码,否则将会继续使用旧的函数。如果想把一个函数定义为内联函数,则需要在函数名前面放置关键字 inline
,在调用函数之前需要对函数进行定义。所有在类中定义的函数都是内联函数,即使没有使用 inline
关键字声明。当内联函数收到编译器的指示时,即可发生内联:编译器将使用函数的定义体来替代函数调用语句,这种替代行为发生在编译阶段而非程序运行阶段。值得一提的是,内联函数仅仅是对编译器的内联建议,编译器是否觉得采取建议取决于函数是否符合内联的有利条件。如何函数体非常大,那么编译器将忽略函数的内联声明,而将内联函数作为普通函数处理。
为什么要使用内联函数
有时候我们会写一些功能专一的函数,这些函数的函数体不大,包含了很少的执行语句。例如在计算 1~1000 以内的素数时,我们经常会使用开方操作使运算范围缩小,这时我们会写如下一个函数:
1 | int root(int n) |
然后求范围内素数的函数可以这样写:
1 | int prime(int n) |
当然,把 root
函数放在循环中不是个不明智的选择,但想象一下,在某个程序上下文内必须频繁地调用某个类似 root
的函数,其调用函数的花销会有多大:当遇到普通函数的调用指令时,程序会保存当前函数的执行现场,将函数中的局部变量以及函数地址压入堆栈,然后再将即将调用的新函数加载到内存中,这要经历复制参数值、跳转到所调用函数的内存位置、执行函数代码、存储函数返回值等过程;当函数执行完后,再获取之前正在调用的函数的地址,回去继续执行那个函数,运行时间开销简直太多了。为了解决上述问题,C++ 内联函数提供了替代函数调用的方案,通过 inline
声明,编译器首先在函数调用处使用函数体本身语句替换了函数调用语句,然后编译替换后的代码。因此,通过内联函数,编译器不需要跳转到内存其他地址去执行函数调用,也不需要保留函数调用时的现场数据。
如何使用内联函数
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程序运行的输出结果如下:
1 | Max (20,10): 20 |
内联函数的优缺点
优点:
- 它通过避免函数调用所带来的开销来提高程序的运行速度
- 通过将函数声明为内联,则可以把函数定义放在头文件内
- 它避免了普通函数调用时的额外开销(压栈、弹栈、跳转、返回)
缺点:
- 因为代码的扩展,内联函数增大了可执行程序的体积
- C++ 内联函数的展开是编译阶段,这就意味着如果内联函数发生了改动,那么就需要重新编译代码
- 当把内联函数放在头文件中时,它将会使头文件信息变多,不过头文件的使用者不用在意这些细节
- 有时候内联函数并不受到青睐,比如在嵌入式系统中,嵌入式系统的存储约束可能不允许体积很大的可执行程序运行
内联函数的编译限制
C++ 中内联函数编译的限制:
- 函数体不能过于庞大
- 不能对函数进行取址操作
- 不能存在任何形式的循环语句
- 不能存在过多的条件判断语句
- 函数的内联声明必须在调用语句之前
编译器对于内联函数的限制并不是绝对的,内联函数相对于普通函数的优势只是省去了函数调用时压栈、弹栈、跳转和返回的开销。因此,当函数体的执行开销远大于压栈、弹栈、跳转和返回所用的开销时,那么内联将变得毫无意义。
什么时候该使用内联函数
当程序设计需要时,每个函数都可以声明为 inline
,下面列举一些有用的建议:
- 当对程序执行性能有要求时,那么就可以使用内联函数
- 当想使用宏定义一个函数时,那就果断使用内联函数来替代
- 在类内部定义的函数会默认声明为
inline
函数,这有利于类实现细节的隐藏
关键点:
- 虚函数不允许内联
- 所有在类中定义的函数都默认声明为
inline
函数,所有不用再显示地去声明inline
- 虽然说模板函数放中头文件中,但它们不一定是内联的(不是说定义在头文件中的函数都是内联函数)
- C++ 编译器会直接将编译后的内联函数体插入到调用的地方,内联函数在最终生成的代码中是没有定义的
- 内联函数由编译器处理,直接将编译后的内联函数体插入到调用的地方;而宏定义由预处理器处理,只进行简单的文本替换,没有任何编译过程
- 一些现代的 C++ 编译器提供了扩展语法,能够对函数进行强制内联,例如:
g++
中的__attribute__((always_inline))
属性 - 编译器的内联看起来就像是代码的复制与粘贴,但这与预处理宏是很不同的;宏定义函数是强制的内联展开,可能将会污染所有的命名空间与代码,会为程序的调试带来困难
- 内联声明只是一种对编译器的建议,编译器是否采用内联措施由编译器自己来决定。现代 C++ 编译器能够进行编译优化,甚至在汇编阶段或链接阶段,一些没有
inline
声明的函数,也可能被编译器内联编译
函数默认参数
C++ 中可以在函数声明时为参数提供一个默认值,当函数调用时没有指定这个参数的值,编译器会自动用默认值代替。函数默认参数的使用规则如下:
- 只有参数列表后面部分的参数才可以提供默认参数值
- 一旦在一个函数调用中开始使用默认参数值,那么这个参数后的所有参数都必须使用默认参数值
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程序运行的输出结果如下:
1 | x: 3 |
函数占位参数
函数占位参数只有参数类型声明,而没有参数名声明;一般情况下,在函数体内部无法使用占位参数。
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程序运行的输出结果如下:
1 | func(1, 2, 3) = 3 |
函数默认参数结合函数占位参数
可以将函数默认参数与函数占位参数结合起来使用,其意义在于为以后程序的扩展留下空间,并兼容 C 语言代码中可能出现的不规范写法。
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程序运行的输出结果如下:
1 | a + b = 3 |
函数重载
函数重载的概念
函数重载概念(Function Overload):
- 用同一个函数名定义不同的函数
- 当函数名和不同的参数搭配时函数的含义不同
函数重载至少满足下面的一个条件(函数重载的判断标准):
- 参数个数不同
- 参数类型不同
- 参数顺序不同
特别注意: 函数的返回值不是函数重载的判断标准
函数重载的使用
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程序运行的输出结果如下:
1 | c = 1 |
函数重载的调用准则
编译器调用重载函数的准则:
- 将所有同名函数作为候选者
- 尝试寻找可行的候选函数
- 精确匹配实参
- 通过默认参数能够匹配实参
- 通过默认类型转换匹配实参
- 匹配失败
- 最终寻找到的可行候选函数不唯一,则出现二义性,编译失败
- 无法匹配所有候选者,函数未定义,编译失败
函数重载的注意事项:
- 重载函数的函数类型是不同的
- 函数重载是发生在一个类中里面的
- 函数的返回值不能作为函数重载的依据
- 函数重载是由函数名和参数列表决定的
- 重载函数在本质上是相互独立的不同函数
函数重载与函数指针
当使用重载函数名对函数指针进行赋值时:
- 根据重载规则挑选与函数指针参数列表一致的候选者
- 严格匹配候选者的函数类型与函数指针的函数类型
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程序运行的输出结果如下:
1 | c = 1 |
函数重载与函数默认参数
当函数重载遇上函数默认参数时,如果代码存在二义性,那么 C++ 编译器会编译失败,示例代码如下:
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