【C++入门】内联函数、auto关键字(C++11)、范围for、nullptr

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1 内联函数

前言：

C++中一般不使用宏。对于C中用宏定义的常量，C++中推荐用const和enum来代替；而对于C中的宏函数，C++推荐用 inline(内联函数) 来代替。

宏优点：

• 增强代码复用性。
• 提高性能。宏函数不需要建立栈帧。

那为什么C++中推荐用这些东西来替代宏呢？换句话说，宏有什么缺点让C++想避免使用呢？如下：

宏缺点：

• 不能调试（因为在预处理阶段进行了宏替换）。
• 没有类型安全的检查。假如一个函数的参数类型是int型的，传参的时候却传入了double型变量，如果是一般的函数，则在编译的时候会有报错提醒，而宏函数则不会有报错，直接在预处理阶段进行了替换，这样在无法达到预期结果的同时还不方便查找问题所在。
• 导致代码可读性差，可维护性差，容易误用（使用时有比较多细节需要注意）。
  
  示例：编写一个求两数之和的宏函数

#include 

using namespace std;

//正确写法
#define ADD(x, y) ((x) + (y))

//以下为容易被误用的写法
#define ADD1(x, y) x + y //易误用写法一
#define ADD2(x, y) (x) + (y) //易误用写法二
#define ADD3(x, y) (x + y) //易误用写法三

int main() {
	//示例1：求5 * (2 + 3) = 25
	cout << "5 * ADD(2, 3) = " << 5 * ADD(2, 3) << endl;//展开后为5 * ((2) + (3))
	cout << "5 * ADD1(2, 3) = " << 5 * ADD1(2, 3) << endl;//展开后为5 * 2 + 3
	cout << "5 * ADD2(2, 3) = " << 5 * ADD2(2, 3) << endl;//展开后为5 * (2) + (3)

	//示例2：求(2 | 3) + (5 & 6) = 7
	cout << "ADD(2 | 3, 5 & 6) = " << ADD(2 | 3, 5 & 6) << endl;//展开后为((2 | 3) + (5 & 6))
	cout << "ADD3(2 | 3, 5 & 6) = " << ADD3(2 | 3, 5 & 6) << endl;//展开后为(2 | 3 + 5 & 6)，而加号优先级更高

	return 0;
}

测试结果：

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1.1 内联函数概念

为了既保持宏的优点，又减少其缺点，C++引入了内联函数的概念

以 inline 修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方进行函数展开，没有函数调用建立栈帧的开销，可以提升程序运行效率。

如下图所示，如果在函数前增加 inline 关键字将其改成内联函数，在编译期间，编译器就会用函数体替换函数的调用。

将函数修改为内联函数：

查看方式：

• 在release模式，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
• 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（否则会无法调试），即 inline 不会起作用，以下给出vs2022的设置方式）
  
  

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1.2 内联函数特性

• inline 是一种 以空间换时间（空间指的是编译出来的可执行文件的大小） 的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大；优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
• inline 对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于 inline 实现机制可能不同，一般建议：将 函数规模较小（即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部的实现）、不是递归、且频繁调用的函数采用 inline 修饰，否则编译器会忽略 inline 特性。下图为《C++prime》第五版关于 inline 的建议：
  
• inline 不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为内联函数展开，就没有函数地址了（我们可以认为，内联函数是不进入符号表的）。内联函数展开是在预处理阶段，而所包含的头文件中只有函数的声明的话，函数就没办法被展开，只能等待链接时查找函数地址进行链接，又因为没有函数地址，链接时就会找不到对应的函数。所谓函数地址（call指令调用的地址），其实就是跳转指令所在的地址，而通过跳转指令，又可以跳转到实际函数执行的第一条指令的地址。因此，建议内联函数直接定义在 .h 文件中，这样在包含了该文件时，预处理阶段就可以直接将函数展开。

// test.h
#include
using namespace std;

inline void f(int i);

// test.cpp
#include “test.h”
void f(int i)
{
{\kern 8pt} cout << i << endl;
}

// main.cpp
#include “test.h”
int main()
{
{\kern 8pt} f(10);
{\kern 8pt} return 0;
}

运行后报错信息：

关于函数地址（非内联函数）：

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2 auto关键字（C++11）

2.1 关于类型别名

随着程序越来越复杂，程序用到的类型也越来越复杂，经常体现在：

• 类型难于拼写
• 含义不明确导致容易出错
  
  示例代码：

#include 
#include 
int main()
{
	std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange", "橙子" }, {"pear", "梨"} };
	std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//....
	}
	return 0;
}

其中 std::map::iterator 是一个迭代器类型，但该类型太长了，特别容易写错。可能有人会想到：可以通过 typedef 给类型取别名，如：

#include 
#include 

typedef std::map<std::string, std::string> Map;
int main()
{
	Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };
	Map::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//....
	}
	return 0;
}

使用 typedef 给类型取别名确实可以简化代码，但是 typedef 会遇到新的难题：

typedef char* pstring;
int main()
{
	const pstring p1;  //编译成功还是失败？
	const pstring* p2;  //编译成功还是失败？
	return 0;
}

说明：运行如上代码，发生了报错：error C2734: “p1”: 如果不是外部的，则必须初始化常量对象 ，即p1编译失败了，而p2编译成功了。或许大部分一眼看到都会认为经过替换后第一句代码会变成 const char* p1; ，而事实上经过替换，代码变成了 char* const p1; ，此时p1被const修饰，而const修饰的变量必须进行初始化，如果将第一句代码修改为如 const pstring p1 = nullptr; 则可以编译成功了。而第二句代码经过替换后会变为 char* const *p2; ，这里const修饰的是*p2，因此p2不需要进行初始化也可以编译成功。

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2.2 auto简介

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量。
C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而成。

示例：

#include 

using namespace std;

int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a;//自动推导类型
	auto c = 'a';
	auto d = TestAuto();
	
	//获取变量具体类型
	cout << "b：" << typeid(b).name() << endl;
	cout << "c：" << typeid(c).name() << endl;
	cout << "d：" << typeid(d).name() << endl;
	//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化
	return 0;
}

测试结果：

注意：使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

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2.3 auto使用细则

• auto与指针和引用结合起来使用
  用auto声明指针类型时，用 auto 和 auto* 没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须用 auto&，如果不加 & ，那编译器只会认为该变量是与本该引用的实体同类型的变量，而不是实体的引用。
  
  使用示例：

#include 

using namespace std;

int main()
{
	int x = 10;
	auto a = &x;
	auto* b = &x;
	auto& c = x;
	
	cout << typeid(a).name() << endl;
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	
	*a = 20;
	*b = 30;
	c = 40;
	return 0;
}

• 在同一行定义多个变量
  当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其它变量。
  
  使用示例：

void TestAuto()
{
	auto a = 1, b = 2;
	auto c = 3, d = 4.0; //该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

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2.4 auto不能推导的场景

• auto不能作为函数的参数

//此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}

• auto不能直接用来声明数组

void TestAuto()
{
{\kern 8pt} int a[] = {1, 2, 3};
{\kern 8pt} auto b[] = {4，5，6};
}

• 为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
• auto在实际中最常见的优势用法就是跟C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

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3 基于范围的for循环（C++11）

3.1 范围for的语法

在C++98中，如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：

#include 

using namespace std;

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	int len = sizeof(array) / sizeof(array[0]);
	for (int i = 0; i < len; ++i)
		array[i] *= 2;
	for (int* p = array; p < array + len; ++p)
		cout << *p << endl;
}

int main() {
	TestFor();
	return 0;
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还容易犯错。因此C++中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号 : 分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

示例：

#include 

using namespace std;

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	//表示依次引用数组中的元素。注意：这里不能使用auto*，因为数组中的元素均是int型，不能直接赋值给指针
	for (auto& e : array)
		e *= 2;
	//表示自动依次取数组中的数据赋值给对象e，自动判断结束
	for (auto e : array)
		cout << e << " ";
}

int main() {
	TestFor();
	return 0;
}

注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

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3.2 范围for的使用条件

• for循环迭代范围必须是确定的
  对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供 begin 和 end 的方法，begin 和 end 就是for循环迭代范围。
  
  如下代码即为一个错误使用示例：该函数传参时传入的是数组首元素的地址，而不是整个数组，因此无法确定迭代范围

void TestFor(int array[])
{
{\kern 8pt} for (auto& e : array) {
{\kern 16pt} cout << e << endl;
{\kern 8pt} }
}

• 迭代的对象要实现++和==的操作。

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4 指针空值nullptr（C++11）

• C++98中的指针空值

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是通过给指针赋空值来对其进行初始化：

void TestPtr()
{
{\kern 8pt} int* p1 = NULL;
{\kern 8pt} int* p2 = 0;
{\kern 8pt} // ……
}

而NULL实际是一个宏，在传统的C头文件 stddef.h 中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
#endif

可以发现：NULL可能被定义为字面常量 0 ，或者被定义为无类型指针 (void*) 的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，如：

#include 

using namespace std;

void f(int)
{
	cout << "f(int)" << endl;
}
void f(int*)
{
	cout << "f(int*)" << endl;
}
int main()
{
	f(0);
	f(NULL);
	f((int*)NULL);
	return 0;
}

运行如上代码的结果：

说明：程序的本意是想通过 f(NULL) 调用指针版本的 f(int*) 函数，但由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。在C++98中，字面常量0既可以是一个整型数字，也可以是无类型的指针 (void*) 常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整型常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强制类型转换 (void*)0。

• 为了避免使用NULL给指针赋空值带来的麻烦，C++11引入 nullptr 来代替NULL表示指针空值。

注意：

1. 在使用 nullptr 表示指针空值时，不需要包含头文件，因为 nullptr 是C++11作为新关键字使用的。
2. 在C++11中， sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0) 所占的字节数相同。
3. 为了提高代码的健壮性，建议最好使用 nullptr 表示指针空值。

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以上是我对C++中内联函数、auto关键字(C++11)、范围for、nullptr的一些学习记录总结，如有错误，希望大家帮忙指正，也欢迎大家给予建议和讨论，谢谢！