【内联函数详解】

本文主要介绍了C++中内联函数的使用，本质上是一种以空间换时间的提高代码效率的方法，相对于C语言中宏的缺陷进行了相应的改进。本文对内联的详细实现和底层的汇编指令进行了分析，总结了内联的几种使用方法，并提供了详细的代码示例，这也是我初学C++ primer plus的学习笔记，如有错误，欢迎在评论区批评指正。

参考文献：
C++ primer plus
内敛与宏的缺陷
浙大翁恺内联函数

内联函数

内联函数的引出

常规函数调用

int f(int i){
    return i*2;
}
main(){
    int a = 4;
    int b = f(a);
}

//对应的汇编代码

//以下汇编代码仅仅是为了方便理解这个过程发生了什么，并不是编译器真的编译后生成的汇编代码（实际上要比这个复杂一些）
_f_int:
       add ax,@sp[-8],@sp[-8]
       ret   //ret指令将栈中保存的地址出栈，返回mov @sp[-4],ax处进行取指令操作，即执行程序
_main:
      add sp,#8
      mov ax,#4
      mov @sp[-8],ax
      mov ax,@sp[-8]
      push ax   //实参值送到堆栈中去
      call _f_int    //函数调用在汇编中是call指令，需要将下一条指令的地址入栈保存，并修改IP寄存器跳转到标号_f_int处执行程序
      mov @sp[-4],ax
      pop ax

可以看到，在调用程序过程中，需要做一些额外的动作，

1. 将被调用函数的参数push进堆栈里面去
2. 比如保存当前指令的地址，用于程序返回
3. 在堆栈中push进的东西都需要在pop出来一遍

那么能不能将这些函数调用过程的额外开销给节省掉，从而加快代码的执行效率呢？

c++新增了inline,内联函数特性正是用于解决这个问题，它的基本思路是直接将被调用函数的代码段嵌入在对应的代码处，所以直接往下执行即可，不需要再跳转内存中另一处再跳转回来，从而避免了额外的开销，提高了代码的执行效率。但同时存在的问题是，如果在代码中多次调用内联函数，这种方法必然造成“代码膨胀”，*相当于是一种用增大代码空间来减小代码执行时间的方法

加上inline之后的效果

inline int f(int i){
    return i*2;
}
main(){
    int a = 4;
    int b = f(a);
}


//代码其实就相当于：
main(){
    int a = 4;
    int b = a +a;
}

//对应的汇编代码就相当于
_main:
      add sp,#8
      mov ax,#4
      mov @sp[-8],ax
      add ax,@ap[-8]
      mov @sp[-4],ax

什么时候选择使用内联函数？

• 函数的代码很短（所以函数调用时间相对于函数执行时间较长），一般2，3行
• 调用过程节省的时间其实很短，所以调用次数较多的时候节省的时间才会比较明显。当一个较短的函数被大量调用的时候值得我们inline

什么时候不使用inline

• . 函数过大或者函数发生了递归的时候不能使用内联函数
• . 函数内不要有循环语句之类的
• . 内联修饰符inline只是一个建议，并不是强制，

如何使用inline？ （具体语法） 使用inline的注意事项！

• 在.h和.cpp中的函数声明和定义都必须加上inline修饰。
• 通常做法是省略原型声明，将整个定义放在本应该提供函数声明的地方。

在.h文件中声明inline ，在.cpp文件中定义时也加上inline，在main函数中包含该.h文件，一般来说这样是没问题的，但是实际上编译器会报一个warning:inline function 'void f(int ,int)'use but never difined undefined symbols for architecture x86_64: ‘f(int ,int)’,referenced from: _main in cc3kixgj.o
ld:symbol(s) not found for architecture x86_64

即编译器知道这是个内联函数，但是没找到定义，实际上编译后采用的还是函数调用方式。

编译器在同一时间只能看到一个文件，在编译main.cpp文件时，由于包含了.h文件，所以只能看到一个inline的声明，但是inline实际上想做的是将函数体代码块直接嵌入到main.cpp中的函数体内，但这个时候却看不到inline函数的定义（定义在另一个.cpp文件中），所以只能放弃内联，在这里进行一个函数调用，而在.cpp文件中看到inline，编译器说ok，你已经嵌入到main函数体中了，我不需要在这里再产生任何代码了，所以link时就找不到这段代码里的内容。

所以解决的办法是直接在.h文件中将函数定义放到这里即可，省略原型声明

// a.h 将定义放到这里，省略函数声明
inline f(int i,int j) {return i+j;}

// main。cpp

#include"a.h"

int main()
{
    int f = f(1,2);
}

//不需要a.cpp文件了

内联函数在类定义中的应用

//cup.h文件
class Cup {
    int color;
public:
    int getColor();
    void setColor(int color);
};

inline int Cup::getColor() { return color;}
inline void Cup::setColor(int color) {this->color = color;}

//省略在,cpp文件中对类里面的函数的定义

//main.cpp
#include"cup.h"

int main(){
    Cup::setColor(1);
    Cup::getColor();

//这里就相当于直接对color进行操作，省略了函数调用的开销，相当于将函数体直接插入到这里，
//效率更高，占用的内存空间也增大了。
    
}
  

内联与宏的缺陷

• 宏相当于是一种文本替换，并不是真正的函数
• 宏不能按值传递
• 宏函数没有作用域

#define MyAdd1(x,y)  x+y
#define MyAdd2(x,y) ( (x) + (y) )

void test01{
        int ret = MyAdd1(10,20); // = 30没问题
        int ret1 = MyAdd1(10,20)*20;  //预期结果是30*20 = 600 ，但实际上是10+20*20 = 410；
        
        //这是由于宏是文本替换来实现的，也可以通过加括号来改进  
        int ret2 = MyAdd2(10,20)*20;   //这个结果就对了，是600 
} 

#define MyCompare(a,b) ( (a) < (b) ) ? (a) : (b)

void test02(){
    int a = 10;
    int b = 20;
    int ret = MyCompare(a,b); //返回10没问题

    int ret1 = MyCompare(++a,b);  //按预期应该++a = 11 ,函数返回较小值11 ，但是实际上这里返回的是12

    //因为是 ( (++a) < (b) ) ? (++a) : (b)，这里执行了两次++a ，宏并不是函数传参，只是一个文本替换，所以这里出现了问题。
}

而inline内联函数是一个真正的函数，就和常规函数一样，也是按值来传递的，所以不会出现这些问题，这使得C++内联功能远远胜过C语言的宏定义。