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8.1 C++内联函数
8.1 C++内联函数
内联函数是C++为提高程序运行速度所做的一项改进。常规函数和内联函数之间的主要区别不在于编写方式,而在于C++编译器如何将它们组合到程序中。要了解内联函数与常规函数之间的区别,必须深入到程序内部。
编译过程的最终产品是可执行程序——由一组机器语言指令组成。运行程序时,操作系统将这些指令载入到计算机内存中,因此每条指令都有特定的内存地址。计算机随后将逐步执行这些指令。有时(如有循环或分支语句时),将跳过一些指令,向前或向后跳到特定地址。常规函数调用也使程序跳到另一个地址(函数的地址),并在函数结束时返回。下面更详细地介绍这一过程的典型实现。执行到函数调用指令时,程序将在函数调用后立即存储指令的内存地址,并将函数参数复制到堆栈(为此保留的内存块),跳到标记函数起点的内存单元,执行函数代码(也许还需将返回值放入到寄存器中),然后跳回到地址被保存的指令处(这与阅读文章时停下来看脚注,并在阅读完脚注后返回到以前阅读的地方类似)。来回跳跃并记录跳跃位置意味着以前使用函数时,需要一定的开销。
C++内联函数提供了另一种选择。内联函数的编译代码与其他程序代码“内联”起来了。也就是说,编译器将使用相应的函数代码替换函数调用。对于内联代码,程序无需跳到另一个位置处执行代码,再跳回来。因此,内联函数的运行速度比常规函数稍快,但代价是需要占用更多内存。如果程序在10个不同的地方调用同一个内联函数,则该程序将包含该函数代码的10个副本(参见下图)。
应有选择地使用内联函数。如果执行函数代码的时间比处理函数调用机制的时间长,则节省的时间将只占整个过程的很小一部分。如果代码执行时间很短,则内联调用就可以节省非内联调用使用的大部分时间。另一方面,由于这个过程相当快,因此尽管节省了该过程的大部分时间,但节省的时间绝对值并不大,除非该函数经常被调用。
要使用这项特性,必须采取下述措施之一:
- 在函数声明前加上关键字inline;
- 在函数定义前加上关键字inline。
通常的做法是省略原型,将整个定义(即函数头和所有函数代码)放在本应提供原型的地方。
程序员请求函数作为内联函数时,编译器并不一定会满足这种要求。它可能认为该函数过大或注意到函数调用了自己(内联函数不能递归),因此不将其作为内联函数;而有些编译器没有启用或实现这种特性。
程序清单8.1通过内联函数square()(计算参数的平方)演示了内联技术。注意到整个函数定义都放在一行中,但并不一定非得这样做。然而,如果函数定义占用多行(假设没有使用冗长的标识符),则将其作为内联函数就不太合适。
程序清单8.1 inline.cpp
//inline.cpp -- using an inline function
#include<iostream>
//an inline function definition
inline double square(double x) { return x * x; }
int main()
{
using namespace std;
double a, b;
double c = 13.0;
a = square(5.0);
b = square(4.5 + 7.5); //can pass expressions
cout << "a = " << a << ", b = " << b << "\n";
cout << "c = " << c;
cout << ", c squared = " << square(c++) << "\n";
cout << "Now c = " << c << "\n";
return 0;
}
下面是该程序的输出:
a = 25, b = 144
c = 13, c squared = 169
Now c = 14
输出表明,内联函数和常规函数一样,也是按值来传递参数的。如果参数为表达式,如4.5 + 7.5,则函数将传递表达式的值(这里为12)。这使得C++的内联功能远远胜过C语言的宏定义,请参见旁注“内联与宏”。
尽管程序没有提供独立的原型,但C++原型特性仍在起作用。这是因为在函数首次使用前出现的整个函数定义充当了原型。这意味着可以给square()传递int或long值,将值传递给函数前,程序自动将这个值强制转换为double类型。
内联和宏
inline工具是C++新增的特性。C语言使用预处理器语句#define来提供宏——内联代码的原始实现。例如,下面是一个计算平方的宏:
#define SQUARE(X) X*X
这并不是通过传递参数实现的,而是通过文本替换来实现的——X是“参数”的符号标记。
a = SQUARE(5.0); is replaced by a = 5.0 * 5.0;
b = SQUARE(4.5 + 7.5); is replaced by b = 4.5 + 7.5 * 4.5 + 7.5;
d = SQUARE(c++); is replaced by d = c++ * c++;
上述示例只有第一个能正常工作。可以通过使用括号来进行改进:
#define SQUARE(X) ((X)*(X))
但仍然存在这样的问题,即宏不能按值传递。即使使用新的定义,SQUARE(C++)仍将c递增两次,但是程序清单8.1中的内联函数square()计算c的结果,传递它,以计算其平方值,然后将c递增一次。
这里的目的不是演示如何编写C宏,而是要指出,如果使用C语言的宏执行了类似函数的功能,应考虑将它们转换为C++内联函数。