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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 <iostream>
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:
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)
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):
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 <string>
#include <map>
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<std::string, std::string>::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 <string>
#include <map>
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。
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 <iostream>
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。
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 <iostream>
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
}
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。
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 <iostream>
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 <iostream>
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。
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。
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 <iostream>
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:
- 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。 - 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,建议最好使用
nullptr
表示指针空值。
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!