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[C++知识库]内联函数inline

前言
内联函数是C++为提高程序运行速度所做的一项改进。常规函数和内联函数的主要区别不在于编写方式,而在于C++编译器如何将它们组合到程序中。

(一)内联函数的定义

定义内联函数,需使用C++的关键字 inline 且必须采取下俗措施之一

  • 在函数声明前加上关键字inline;
  • 在函数定义前加上关键字inline。

通常的做法是是省略原型,直接定义(即函数头和所有函数代码)放在本应提供原型的的地方。

//内联函数的定义,关键字在返回类型之前
inline int Add(int x,int y)  
{
   int c=x+y;
   return c;
}

(二)内涵函数存在的意义

已经有了常规函数,为什么要定义成内联函数?即内联存在的意义是什么?
要了解内联函数与常规函数之间的区别,必须深入程序内部。

我们写的程序在运行之前,得进行编译,编译过程的最终产品是可执行程序–由一组机器语言指令组成
运行程序时,操作系统将这些指令载入到计算机内存中,因此每条指令都有特定的内存地址。
比如看以下的代码:

#include<iostream>
int Add(int x, int y)
{
	int c = x + y;
	return c;
}
int main()
{
	using namespace std;
	int a = 1;
	int b = 2;
	int c;
	c = a + b;
	int sum;
	sum = Add(a, b);
	return 0;
}

通过调试转汇编发现(vs2013):
上诉代码转汇编代码看到
我们可以看到,在最左则即 指令的相关内存地址

需要注意的是,程序在调试时,其程序是在运行的,即 运行才可调试

计算机随后逐步执行这些指令。有时(如有循坏或分支语句时),将跳过一些指令,向前或向后跳到特定地址。

执行到函数调用指令时,程序将在函数调用后立即存储该指令的内存地址,并将函数参数复制到堆栈(为此保留的内存块),跳到标记函数起点的内存单元,执行函数代码(也许还需将返回值放入到寄存器中),然后跳回到地址被保存的指令处(这与阅读文章时停下来看脚注,并在阅读完脚注后返回到以前阅读的地方类似)。来回跳跃并记录位置意味着以前使用函数时,需要一定的开销。

如上诉图片中此
在这里插入图片描述

call表示调用此函数,即找到Add()此函数的代码存储地(函数被编译时,其指令放在代码段里,而现在是在main函数开辟的栈帧中,所以能看到函数地址与它们相差甚远),前面的push,即复制函数参数到堆栈。
做好调用准备后,开辟函数栈帧,执行指令。如下图:
Add函数的栈帧
也可以看到Add()函数中的内存地址与图一即main()函数的内存地址不同,且有一定的差距,因为是跳出main()函数的栈帧,去创建Add()函数的栈帧,但也不会差太多,实际上Add()栈帧是压在main()栈帧上的,可以看到它们的内存地址前四位都是 005E ,而Add函数的地址在代码段中,与其相差甚远。
为此正常调用,得保存main()栈帧中执行指令的地址,以便执行完函数后可以返回继续执行接下来的地址。

C++内联函数提供了另一种选择。内联函数的编译代码与其他程序代码“内联”起来了。也就是说,编译器将使用相应的函数代码替换函数调用。对于内联代码,程序无需跳到另一个位置处执行代码,再跳回来。因此,内联函数的运行速度比常规函数稍块,但代价是需要占用更对内存(多调用时),如果程序在10个不同的地方调用同一内联函数,则该程序将包含该函数代码的10个副本。

实际查看一下编译器是怎么处理内联函数的: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)
先打开属性
在这里插入图片描述
常规中把调试信息格式改为程序数据库
在这里插入图片描述
优化中把内联函数扩展改为只适用于—inline(/Ob1)
在这里插入图片描述
配置完毕后,转到汇编此时可看到把Add()函数定义为内联后的汇编代码
在这里插入图片描述
如上图,没有call函数Add的地址,因为其为内联被展开了(更改后,重新运行,main栈帧中内存地址可能会进行改变)。

(三)使用内联函数的注意事项

  • 应有选择地使用内联函数。如果执行函数代码的时间比处理函数调用机制的时间长,则节省的时间将只占整个过程的很小一部分。如果代码执行时间很短,则内联调用就可以节省非内联调用使用的大部分时间。另一方面,由于这个过程相当快,因此尽管节省了该过程的大部分时间,但节省的时间绝对值并不大,除非该函数经常被调用。
  • 程序员请求将函数作为内联函数时,编译器并不一定会满足这种要求。它可能认为该函数过大(如循坏过多)或注意到函数调用了自己(内联函数不能递归)等等,因此不将其作为内联函数;而有些编译器没有启用或实现这种特性。所以一般建议对行数代码少,执行简单,经常调用的函数设置成内联
  • 内联函数的声明和定义不能分离,即不能分别在不同文件中,分离会导致连接错误。因为inline被展开,就没有函数地址了,链接就找不到。
// 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 _main函数中被引用

(四)内联和宏定义

inline工具是C++新增的特性。C语言使用预处理器语句#define 来提供宏——内联代码的原始实现。

不过,内联函数和常规函数一样,也是按值来传递参数的,而宏并不是通过传递参数实现的,而是通过文本替换来实现的。
所以建议如果使用了C语言的宏执行了类似函数的功能,应考虑将它们转换为C++内联函数。

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