【C++心愿便利店】No.3---内联函数、auto、范围for、nullptr

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前言

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专栏：C++ 心愿便利店
本章内容：内联函数、auto、范围for、nullptr
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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、内联函数

内联函数

1.1.面试题

面试题

通过对C语言的学习，对于宏有了一定的了解，当定义一个宏常量是是非常方便的直接替换这在数据结构链表处有明显的体现，但是对于宏函数的写法就比较容易出错有以下几种形式的错误需要提醒：

#define N 10//宏常量
//宏函数
#define ADD(int x , int y) {return x+y;}//宏的调用不需要return
#define ADD(x , y) (return x+y;)
#define ADD(x , y) return x+y;

#define ADD(x , y) x+y;//宏后面不需要分号
//加分号是可以的但对于有些语法是不通过的
int main()
{
	ADD(1, 2);//这种是不会报错的
	printf("%d\n", ADD(1, 2));//这种会报错因为宏替换后，会多出一个分号
	return 0;
}


#define ADD(x , y) x+y//可能出现优先级错误
int main()
{
	ADD(1, 2);
	printf("%d\n", ADD(1, 2));
	printf("%d\n", ADD(1, 2) * 3);//这里替换后变成了1+2*3=7显然不是想要得到的9
	return 0;
}


#define ADD(x , y) (x+y)//可能出现优先级错误
int main()
{
	ADD(1, 2);
	printf("%d\n", ADD(1, 2));
	printf("%d\n", ADD(1, 2) * 3);
	int a = 1, b = 2;
	ADD(a | b, a & b);//替换后变成(a|b+a&b)  +号的优先级高于| &所以会先算+
	return 0;
}


#define ADD(x , y) ((x)+(y))   这是正确的

1. 宏的优缺点

宏的优缺点？
优点：
1.增强代码的复用性。
2.提高性能。
缺点：
1.不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
2.导致代码可读性差，可维护性差，容易误用，语法很坑。
3.没有类型安全的检查 。
宏函数的优点:
1.没有类型的严格限制
2.针对频繁调用小函数，不需要再建立栈帧，提高了效率

int Add(int left, int right)
//这种函数调用是需要建立栈帧的但是宏函数不需要直接替换了
{
	return left + right;
}

2. C++有哪些技术替代宏

C++有哪些技术替代宏？

1. 常量定义 换用const enum
2. 短小函数定义 换用内联函数

1.2.内联函数概念

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展开，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。

查看方式:

1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
2. 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)

代码示例:

inline int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	int ret = add(1, 2);
	
	//int ret = add(a | b , a & b);
	//这样写也不会像宏函数一样出错了
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

1.3.内联函数特性

内联函数的特性

特性1:

inline是一种以空间换时间的做法，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（代码膨胀），优势：少了调用开销，提高程序运行效率。（不能任何情况下都用内联）

特性2:

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：

内联说明只是向编译器发出的一个请求,编译器可以选择忽略这个请求

一般来说，内联机制用于优化规模较小、流程直接、频繁调用的函数。很多编译器都不支持内联递归函数，而且一个75行的函数也不大可能在调用点内联地展开。

1. 太长就不会展开:

inline int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
inline int func()
{
	int x1= 0;
	int x2 = 0;
	int x3 = 0;
	int x4 = 0;
	int ret = 0;
	ret += x1;
	ret *= x2;
	ret /= x3;
	ret /= x3;
	ret /= x3;
	ret += x1;
	ret += x1;
	return ret;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	//int ret = add(1, 2);
	int ret = add(a | b , a & b);
	printf("%d\n", ret);
	ret = func();
	return 0;
}

2. 缩短就可能会展开

inline int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
inline int func()
{
	int x1= 0;
	int x2 = 0;
	int x3 = 0;
	int x4 = 0;
	int ret = 0;
	ret += x1;
	return ret;
}
int main()
{
	int a = 1, b = 2;
	//int ret = add(1, 2);
	int ret = add(a | b , a & b);//这样写也不会像宏函数一样出错了
	printf("%d\n", ret);
	ret = func();
	return 0;
}

特性3:

inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到

1. 代码示例:

//Func.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include

using namespace std;

inline void f(int i);



//Func.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Func.h"
void f(int i)
{
	cout << "f(int i)" << i << endl;
}


//Test.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include
#include"Func.h"
using namespace std;
int main()
{
	f(1);//只有声明需要地址（但内联不会进入符号表）
	return 0;
}

Test.cpp调用f(1)函数，f()只有声明没有定义，调用实际链接的时候编译语法都过了，允许在链接的时候再去找地址，定义可能在其他地方，就去其他地方找地址(用函数名修饰规则去找)找不到就会出现链接错误

效果演示:

当Func.h中inline void f(int i);变成void f(int i)就不会出现问题（去掉内联）

2. 代码示例:

//Func.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include

using namespace std;

inline void f(int i);

void fx();


//Func.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Func.h"
void f(int i)
{
	cout << "f(int i)" << i << endl;
}
void fx()
{
	f(1);//既有声明也有定义这里直接展开不需要地址
}


//Test.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include
#include"Func.h"
using namespace std;
int main()
{
	f(1);
	fx();
	return 0;
}

效果演示:

f()这个函数肯定是在的，不然fx()就不会调到它，但是Test.cpp中的 f() 不可调用Func.cpp中的 f() 可以调用，一般只有声明没有定义调不到，但是在Func.cpp中定义了 f()也调不到，原因就是f()函数定义成了内联，在用的地方就展开了就不需要生成指令建立栈帧把地址放进符号表

3. 正确代码示例:

//Func.h
//声明和定义不分离
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include

using namespace std;

inline void f(int i);
{
	cout << "f(int i)" << i << endl;
}


//Test.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include
#include"Func.h"
using namespace std;
int main()
{
	f(1);
	return 0;
}

二、auto关键字

2.1.类型别名思考

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：

1. 类型难于拼写
2. 含义不明确导致容易出错

#include
#include
#include
using namespace std;
int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	std::vector<std::string>v;
	//std::vector::iterator it = v.begin();《==》auto it = v.begin();
	auto it = v.begin();
	cout << typeid(it).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;
}

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义

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，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？
C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：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得（根据右边的值自动推导左边的类型）

int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'a';
	auto d = TestAuto();
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << 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;
}

效果演示:

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。

2.3.auto的使用细节

1. auto与指针和引用结合起来使用

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;
    return 0;
}

效果演示:

2. 在同一行定义多个变量

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
}

2.4.auto不能推导的场景

1. auto不能作为函数的参数

1. 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)
{}

2. auto不能直接用来声明数组

2. auto不能直接用来声明数组

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

3. 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
4. auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

2.5.小场景补充

TypeId 返回一个变量或数据类型的“类型”。

三、基于范围的for循环

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 };
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
		array[i] *= 2;
	for (int* p = array; p < array + sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++p)
		cout << *p<<" ";
}
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，有时候还会容易犯错误。因此C++11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

#include
using namespace std;
void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
		array[i] *= 2;
	for (int* p = array; p < array + sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++p)
		cout << *p<<" ";
		cout << endl;
	for (auto& n : array)//至于这里为什么采用引用
	//是因为不采用引用只是从array中取数赋值给n，n*=2发生变化对数组没影响所以要引用才能改变数组
	{
		n *= 2;
	}
	for (auto m : array)
	//当然也不是必须写成auto m,可以int m ,double m,只是auto会根据右边值的类型推导出左边类型
	{
		cout << m << " ";
	}
	cout << endl;
}
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

3.2.范围for的使用条件

for循环迭代的范围必须是确定的

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循环迭代的范围。
注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定

void TestFor(int array[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}

四、指针空值nullptr

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，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

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

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

可以看到，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，比如：

#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;
}

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于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既可以是一个整形数字，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形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0。

注意:

• 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作为新关键字引入的。

• 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

• 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr

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