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C++ inline内联函数详解

函数是一个可以重复使用的代码块,CPU 会一条一条地挨着执行其中的代码。CPU 在执行主调函数代码时如果遇到了被调函数,主调函数就会暂停,CPU 转而执行被调函数的代码;被调函数执行完毕后再返回到主调函数,主调函数根据刚才的状态继续往下执行。

一个 C/C++ 程序的执行过程可以认为是多个函数之间的相互调用过程,它们形成了一个或简单或复杂的调用链条,这个链条的起点是 main(),终点也是 main()。当 main() 调用完了所有的函数,它会返回一个值(例如return 0;)来结束自己的生命,从而结束整个程序。

函数调用是有时间和空间开销的。程序在执行一个函数之前需要做一些准备工作,要将实参、局部变量、返回地址以及若干寄存器都压入栈中,然后才能执行函数体中的代码;函数体中的代码执行完毕后还要清理现场,将之前压入栈中的数据都出栈,才能接着执行函数调用位置以后的代码。关于函数调用的细节,我们已经在《C语言内存精讲》一章中的《一个函数在栈上到底是怎样的》《用一个实例来深入剖析函数进栈出栈的过程》两节中讲到。

如果函数体代码比较多,需要较长的执行时间,那么函数调用机制占用的时间可以忽略;如果函数只有一两条语句,那么大部分的时间都会花费在函数调用机制上,这种时间开销就就不容忽视。

为了消除函数调用的时空开销,C++ 提供一种提高效率的方法,即在编译时将函数调用处用函数体替换,类似于C语言中的宏展开。这种在函数调用处直接嵌入函数体的函数称为内联函数(Inline Function),又称内嵌函数或者内置函数

指定内联函数的方法很简单,只需要在函数定义处增加 inline 关键字。请看下面的例子:
#include <iostream>
using namespace std;

//内联函数,交换两个数的值
inline void swap(int *a, int *b){
    int temp;
    temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main(){
    int m, n;
    cin>>m>>n;
    cout<<m<<", "<<n<<endl;
    swap(&m, &n);
    cout<<m<<", "<<n<<endl;

    return 0;
}
运行结果:
45 99↙
45, 99
99, 45

注意,要在函数定义处添加 inline 关键字,在函数声明处添加 inline 关键字虽然没有错,但这种做法是无效的,编译器会忽略函数声明处的 inline 关键字。

当编译器遇到函数调用swap(&m, &n)时,会用 swap() 函数的代码替换swap(&m, &n),同时用实参代替形参。这样,程序第 16 行就被置换成:
int temp;
temp = *(&m);
*(&m) = *(&n);
*(&n) = temp;
编译器可能会将 *(&m)、*(&n) 分别优化为 m、n。

当函数比较复杂时,函数调用的时空开销可以忽略,大部分的 CPU 时间都会花费在执行函数体代码上,所以我们一般是将非常短小的函数声明为内联函数。

由于内联函数比较短小,我们通常的做法是省略函数原型,将整个函数定义(包括函数头和函数体)放在本应该提供函数原型的地方。下面的例子是一个反面教材,这样的写法是不被推荐的:
#include <iostream>
using namespace std;

//声明内联函数
void swap1(int *a, int *b);  //也可以添加inline,但编译器会忽略

int main(){
    int m, n;
    cin>>m>>n;
    cout<<m<<", "<<n<<endl;
    swap1(&m, &n);
    cout<<m<<", "<<n<<endl;

    return 0;
}

//定义内联函数
inline void swap1(int *a, int *b){
    int temp;
    temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

使用内联函数的缺点也是非常明显的,编译后的程序会存在多份相同的函数拷贝,如果被声明为内联函数的函数体非常大,那么编译后的程序体积也将会变得很大,所以再次强调,一般只将那些短小的、频繁调用的函数声明为内联函数。

内联函数看起来简单,但是有很多细节要引起重视,我们将在后续两节《C++内联函数也可以用来代替宏》《如何规范地使用C++内联函数》对内联函数的本质以及使用规范进行深入的讲解。

最后需要说明的是,对函数作 inline 声明只是程序员对编译器提出的一个建议,而不是强制性的,并非一经指定为 inline 编译器就必须这样做。编译器有自己的判断能力,它会根据具体情况决定是否这样做。

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