找工作笔试面试那些事儿(4)---C++函数高级特征

作者:寒小阳
时间:2013年8月。
出处:http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/10473845。
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C++函数的高级特征

重载(overloaded)、内联(inline)、const 和virtual是C++独有而C不具有的四种机制。其中\color{red}{重载和内联机制既可用于全局函数也可用于类的成员函数,const 与virtual机制仅用于类的成员函数。}重载和内联是一把双刃剑,用的好可以提高效率,精简程序;而一味滥用也会影响程序的效果。这里根据笔试面试中常碰到的问题,探究一下重载和内联的优点与局限性,说明应该不应该使用的场景。

1 函数重载

1.1 重载的定义和意义
在C++程序中,可以将语义、功能相似的几个函数用同一个名字表示,即函数重载,如下程序所示。但它们互相之间参数不同,这样,这是C++语言采用重载机制的一个理由。 C++语言采用重载机制的另一个理由是: 因为C++规定构造函数与类同名,构造函数只能有一个名字,但有时候我们需要几种方法构造对象。

            void Eat(Beef …);     // 吃牛肉
            void Eat(Fish …);     // 吃鱼肉
            void Eat(Chicken …);  // 吃鸡肉

1.2 重载的实现方法
只能靠参数而不能靠返回值类型的不同来区分重载函数。编译器根据参数为每个重载函数产生不同的内部标识符。例如编译器为上节中的三个Eat函数产生象_eat_beef、eat_fish、_eat_chicken之类的内部标识符(不同的编译器可能产生不同风格的内部标识符)。

说到这里,要提到一个常见的笔试面试题了:

C++程序不能直接调用已编译后的C函数的,这是因为名称问题,举个例,一个函数叫做void foo(int x, int y),该函数被C编译器编译后在库中的名字为_foo,而C++编译器则会产生像_foo_int_int之类的名字用来支持函数重载和类型安全连接,名称就不一样,因此不能直接调用的。那要调用的话怎么办呢?

例如:

extern “C”
{ 
void foo(int x, int y); 
…// 其它函数
} 

或者写成

extern “C”
{ 
#include “myheader.h”
…// 其它C头文件
} 

这就告诉C++编译译器,函数foo 是个C连接,应该到库中找名字_foo而不是找_foo_int_int。C++编译器开发商已经对C标准库的头文件作了extern“C”处理,所以我们可以用#include 直接引用这些头文件。

这里还需要注意一点:并不是两个函数的名字相同就能构成重载。全局函数和类的成员函数同名不算重载,因为函数的作用域不同。例如:

void Print(…);  // 全局函数
class A 
{…
void Print(…); // 成员函数
} 

不论两个Print 函数的参数是否不同,如果类的某个成员函数要调用全局函数Print,为了与成员函数Print区别,全局函数被调用时应加‘::’标志。如

::Print(…); // 表示Print是全局函数而非成员函数

1.3 小心隐式类型转换导致重载函数产生二义性
隐式类型转换在很多地方可以简化程序的书写,但是也可能留下隐患。如下例:

# include  
void output( int x);  // 函数声明
void output( float x); // 函数声明
void output( int x) 
{ 
cout << " output int " << x << endl ; 
} 
void output( float x) 
{ 
cout << " output float " << x << endl ; 
} 
void main(void) 
{ 
int x = 1; 
float y = 1.0; 
output(x);     // output int 1 
output(y);     // output float 1 
output(1);     // output int 1 
// output(0.5);    // error! ambiguous call, 因为自动类型转换
output(int(0.5)); // output int 0 
output(float(0.5));  // output float 0.5 
} 

第一个output函数的参数是int类型,第二个output函数的参数是float类型。由于数字本身没有类型,将数字当作参数时将自动进行类型转换(称为隐式类型转换)。语句output(0.5)将产生编译错误,因为编译器不知道该将0.5转换成int还是float类型的参数。

6.2 关于成员函数的重载覆盖和隐藏
成员函数的重载、覆盖(override)与隐藏很容易混淆,也是笔试面试中常爱被提到的问题。

1)关于重载与覆盖
成员函数被重载的特征:

        (1)相同的范围(在同一个类中);

        (2)函数名字相同;

        (3)参数不同;

        (4)virtual关键字可有可无。

覆盖是指派生类函数覆盖基类函数,特征是:

        (1)不同的范围(分别位于派生类与基类);

        (2)函数名字相同;

        (3)参数相同;

        (4)基类函数必须有virtual关键字。

如下例中,函数Base::f(int)与Base::f(float)相互重载,而Base::g(void)被Derived::g(void)覆盖。

#include  
class Base 
{ 
public: 
void f(int x){ cout << "Base::f(int) " << x << endl; } 
void f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; } 
virtual void g(void){ cout << "Base::g(void)" << endl;} 
}; 
class Derived : public Base 
{ 
public: 
virtual void g(void){ cout << "Derived::g(void)" << endl;} 
}; 
void main(void) 
{ 
Derived d; 
Base *pb = &d; 
pb->f(42);    // Base::f(int) 42 
pb->f(3.14f);  // Base::f(float) 3.14 
pb->g();   // Derived::g(void) 
} 

2)令人迷惑的隐藏规则
本来仅仅区别重载与覆盖并不算困难,但是C++的隐藏规则使问题复杂性陡然增加。

  这里“隐藏”是指派生类的函数屏蔽了与其同名的基类函数,规则如下:

  (1)如果派生类的函数与基类的函数同名,但是参数不同。此时,不论有无virtual关键字,基类的函数将被隐藏(注意别与重载混淆)。

  (2)如果派生类的函数与基类的函数同名,并且参数也相同,但是基类函数没有virtual关键字。此时,基类的函数被隐藏(注意别与覆盖混淆)。

  如下面要给出的例子中:

  (1)函数Derived::f(float)覆盖了Base::f(float)。

  (2)函数Derived::g(int)隐藏了Base::g(float),而不是重载。

  (3)函数Derived::h(float)隐藏了Base::h(float),而不是覆盖。
#include  
class Base 
{ 
public: 
virtual void f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; } 
void g(float x){ cout << "Base::g(float) " << x << endl; } 
void h(float x){ cout << "Base::h(float) " << x << endl; } 
}; 
class Derived : public Base 
{ 
public: 
virtual void f(float x){ cout << "Derived::f(float) " << x << endl; } 
void g(int x){ cout << "Derived::g(int) " << x << endl; } 
void h(float x){ cout << "Derived::h(float) " << x << endl; } 
}; 

而下例中,bp和dp指向同一地址,按理说运行结果应该是相同的,可事实并非这样。由于对“隐藏”的认识不够深刻,“隐藏”的发生可谓神出鬼没,常常产生令人迷惑的结果。

void main(void) 
{ 
Derived d; 
Base *pb = &d; 
Derived *pd = &d; 
// Good : behavior depends solely on type of the object 
pb->f(3.14f);  // Derived::f(float) 3.14 
pd->f(3.14f);  // Derived::f(float) 3.14 
// Bad : behavior depends on type of the pointer 
pb->g(3.14f);  // Base::g(float) 3.14 
pd->g(3.14f);  // Derived::g(int) 3 (surprise!) 
// Bad : behavior depends on type of the pointer 
pb->h(3.14f);  // Base::h(float) 3.14 (surprise!) 
pd->h(3.14f);  // Derived::h(float) 3.14 
} 

3)摆脱隐藏
隐藏规则引起了不少麻烦。下例程序中,语句pd->f(10)的本意是想调用函数Base::f(int),但是Base::f(int)不幸被Derived::f(char *)隐藏了。由于数字10不能被隐式地转化为字符串,所以在编译时出错。

class Base 
{ 
public: 
void f(int x); 
}; 
class Derived : public Base 
{ 
public: 
void f(char *str); 
}; 
void Test(void) 
{ 
Derived *pd = new Derived; 
pd->f(10); // error 
}

从示例8-2-3看来,隐藏规则似乎很愚蠢。但是隐藏规则至少有两个存在的理由:

(1)写语句pd->f(10)的人可能真的想调用Derived::f(char *)函数,只是他误将参数写错了。有了隐藏规则,编译器就可以明确指出错误,这未必不是好事。否则,编译器会静悄悄地将错就错,程序员将很难发现这个错误,流下祸根。

(2)假如类Derived有多个基类(多重继承),有时搞不清楚哪些基类定义了函数f。如果没有隐藏规则,那么pd->f(10)可能会调用一个出乎意料的基类函数f。尽管隐藏规则看起来不怎么有道理,但它的确能消灭这些意外。

上例中,如果语句pd->f(10)一定要调用函数Base::f(int),那么将类Derived修改为如下即可。

class Derived : public Base 
{ 
public: 
void f(char *str); 
void f(int x) { Base::f(x); } 
};

6.3 关于函数参数的缺省值
有一些参数的值在每次函数调用时都相同,书写这样的语句会使人厌烦。C++语言采用参数的缺省值使书写变得简洁(在编译时,缺省值由编译器自动插入)。

对于函数的缺省值,建议大家遵照以下一些规则:

1)参数缺省值只能出现在函数的声明中,而不能出现在定义体中。

例如:

void Foo(int x=0, int y=0);  // 正确,缺省值出现在函数的声明中
void Foo(int x=0, int y=0) // 错误,缺省值出现在函数的定义体中
{ 
…
} 

为什么会这样?我想是有两个原因:一是函数的实现(定义)本来就与参数是否有缺省值无关,所以没有必要让缺省值出现在函数的定义体中。二是参数的缺省值可能会改动,显然修改函数的声明比修改函数的定义要方便。

2)如果函数有多个参数,参数只能从后向前挨个儿缺省,否则将导致函数调用语句怪模怪样。

正确的示例如下:

void Foo(int x, int y=0, int z=0); 

错误的示例如下:

void Foo(int x=0, int y, int z=0); 

要注意,使用参数的缺省值并没有赋予函数新的功能,仅仅是使书写变得简洁一些。它可能会提高函数的易用性,但是也可能会降低函数的可理解性。所以我们只能适当地使用参数的缺省值,要防止使用不当产生负面效果。下例中,不合理地使用参数的缺省值将导致重载函数output产生二义性。

#include  
void output( int x); 
void output( int x, float y=0.0); 
void output( int x) 
{ 
cout << " output int " << x << endl ; 
} 
void output( int x, float y) 
{ 
cout << " output int " << x << " and float " << y << endl ; 
} 
void main(void) 
{ 
int x=1; 
float y=0.5; 
// output(x);     // error! ambiguous call 
output(x,y);    // output int 1 and float 0.5 
} 

6.4 关于运算符重载

1)概念和定义

在C++语言中,可以用关键字operator加上运算符来表示函数,叫做运算符重载。例如两个复数相加函数:

Complex Add(const Complex &a, const Complex &b); 

可以用运算符重载来表示:

Complex operator +(const Complex &a, const Complex &b); 

运算符与普通函数在调用时的不同之处是:对于普通函数,参数出现在圆括号内;而对于运算符,参数出现在其左、右侧。例如

Complex a, b, c; 
…
c = Add(a, b); // 用普通函数
c = a + b;   // 用运算符+ 

如果运算符被重载为全局函数,那么只有一个参数的运算符叫做一元运算符,有两个参数的运算符叫做二元运算符。如果运算符被重载为类的成员函数,那么一元运算符没有参数,二元运算符只有一个右侧参数,因为对象自己成了左侧参数。

从语法上讲,运算符既可以定义为全局函数,也可以定义为成员函数。但是我们有以下建议:


找工作笔试面试那些事儿(4)---C++函数高级特征_第1张图片

由于C++语言支持函数重载,才能将运算符当成函数来用,C语言就不行。我们要以平常心来对待运算符重载:

        (1)不要过分担心自己不会用,它的本质仍然是程序员们熟悉的函数。

        (2)不要过分热心地使用,如果它不能使代码变得更加易读易写,那就别用,否则会自找麻烦。

2)不能被重载的运算符
在C++运算符集合中,有一些运算符是不允许被重载的。这种限制是出于安全方面的考虑,可防止错误和混乱。

        (1)不能改变C++内部数据类型(如int,float等)的运算符。

        (2)不能重载‘.’,因为‘.’在类中对任何成员都有意义,已经成为标准用法。

        (3)不能重载目前C++运算符集合中没有的符号,如#,@,$等。原因有两点,一是难以理解,二是难以确定优先级。

        (4)对已经存在的运算符进行重载时,不能改变优先级规则,否则将引起混乱。

6.5 关于内联函数
1)用内联取代宏代码
C++ 语言支持函数内联,其目的是为了提高函数的执行效率(速度)。

在C程序中,可以用宏代码提高执行效率。宏代码本身不是函数,但使用起来象函数。预处理器用复制宏代码的方式代替函数调用,省去了参数压栈、生成汇编语言的CALL调用、返回参数、执行return等过程,从而提高了速度。使用宏代码最大的缺点是容易出错,由于宏是直接替代展开,预处理器在复制宏代码时常常产生意想不到的边际效应。例如

#define MAX(a, b) (a) > (b) ? (a) : (b) 

语句

result = MAX(i, j) + 2 ; 

将被预处理器解释为

result = (i) > (j) ? (i) : (j) + 2 ; 

由于运算符‘+’比运算符‘:’的优先级高,所以上述语句并不等价于期望的

result = ( (i) > (j) ? (i) : (j) ) + 2 ; 

如果把宏代码改写为

#define MAX(a, b) ( (a) > (b) ? (a) : (b) ) 

则可以解决由优先级引起的错误。但是即使使用修改后的宏代码也不是万无一失的,例如语句

result = MAX(i++, j); 

将被预处理器解释为

result = (i++) > (j) ? (i++) : (j); 

对于C++ 而言,使用宏代码还有另一种缺点:无法操作类的私有数据成员。

让我们看看C++ 的“函数内联”是如何工作的。对于任何内联函数,编译器在符号表里放入函数的声明(包括名字、参数类型、返回值类型)。如果编译器没有发现内联函数存在错误,那么该函数的代码也被放入符号表里。在调用一个内联函数时,编译器首先检查调用是否正确(进行类型安全检查,或者进行自动类型转换,当然对所有的函数都一样)。如果正确,内联函数的代码就会直接替换函数调用,于是省去了函数调用的开销。这个过程与预处理有显著的不同,因为预处理器不能进行类型安全检查,或者进行自动类型转换。假如内联函数是成员函数,对象的地址(this)会被放在合适的地方,这也是预处理器办不到的。

C++ 语言的函数内联机制既具备宏代码的效率,又增加了安全性,而且可以自由操作类的数据成员。所以在C++ 程序中,应该用内联函数取代所有宏代码,“断言assert”恐怕是唯一的例外。assert 是仅在Debug版本起作用的宏,它用于检查“不应该”发生的情况。为了不在程序的Debug版本和Release版本引起差别,assert 不应该产生任何副作用。如果assert是函数,由于函数调用会引起内存、代码的变动,那么将导致Debug版本与Release版本存在差异。所以assert 不是函数,而是宏。

2)内联函数的编程风格
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,inline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
} 

将成员函数的定义体放在类声明之中虽然能带来书写上的方便,但不是一种良好的编程风格,上例应该改成:

// 头文件
class A 
{ 
public: 
void Foo(int x, int y);
} 
// 定义文件
inline void A::Foo(int x, int y) 
{ 
…
} 

3)慎用内联
内联能提高函数的执行效率,为什么不把所有的函数都定义成内联函数?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。

一个好的编译器将会根据函数的定义体,自动地取消不值得的内联(这进一步说明了inline不应该出现在函数的声明中)。

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