C++语言学习(三)——内联函数、auto、for循环、nullptr

1. 内联函数

(1)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。

内联函数是一种编译器指令,用于告诉编译器在调用函数的地方将函数的代码插入,而不是通过函数调用的方式执行。这种插入代码的方式称为内联展开(Inline Expansion)。

内联函数通常适用于短小的函数,因为将其代码直接插入调用处可以避免函数调用的开销,例如参数传递、栈帧的创建和销毁等,从而提高程序的执行效率。此外,内联函数也有助于避免由于函数调用引入的间接性,使得程序更容易进行优化。

内联函数的原理是,编译器在编译过程中会将内联函数的定义与调用处替换,将函数调用转换为对函数体的直接嵌入。这样,在生成的机器代码中,不再存在函数调用的开销,而是直接执行函数体的代码。这种替换过程发生在编译阶段而不是运行时,因此内联函数的展开是静态的。

内联函数的使用需要权衡,因为内联展开可能会导致代码体积增大,特别是对于较大的函数或在多个地方多次调用的函数。如果内联函数过多,可能会导致代码膨胀,增加程序的内存占用和缓存压力。因此,通常建议将内联函数用于短小且频繁调用的函数,以获得性能上的提升。

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。

(Debug下内联是不会展开的)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)

(2)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,优势:少了调用开销,提高程序运行效率。
  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

    wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==

    编辑
  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。
// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);
// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
    cout << i << endl;
}
// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
    f(10);
    return 0;
}
// 链接错误:main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl f(int)" (?f@@YAXH@Z),该符号在函数 _main 中被引用

.cpp内实现函数定义,.h内也进行了函数的定义,在test文件内,如果包含了头文件,此时会发生重定义错误,因为包含了头文件就会在test内展开,此时test内有一个函数定义,在.cpp内也有一个函数定义,都生成了符号表,当程序在编译的时候,进行到链接,发现有两个一样的符号表,就会发生重定义错误。解决的方法有:1.声明和定义分离;2.static,有链接属性——只在当前文件可见;3.内联(不会进符号表,内联是直接展开,甚至不会生成地址)

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。
3.没有类型安全的检查 。


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

2. auto关键字

(1)auto概念

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

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;
}

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。

//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 <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;
}


//std::map::iterator是一个类型,但是该类型太长了,特别容易写错。
//聪明的同学可能已经想到:可以通过typedef给类型取别名,比如:


#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有会遇到新的难题:


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;
}


//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)auto使用细则

①auto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 加&

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;
}

②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他变量。

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
}

(3)auto不能推导的场景

①auto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)
{}

②auto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C98中的auto发生混淆,C11只保留了auto作为类型指示符的用法
④auto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。

3. 基于范围的for循环(C++11)

(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:

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 << endl;
}

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

void TestFor()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for(auto& e : array)
     e *= 2;
    
    for(auto e : array)
     cout << e << " ";
    
    return 0;
}

(2)范围for的使用环境

①for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:以下代码有问题,因为for的范围不确定

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

②迭代的对象要实现++和==的操作。

4. 指针空值nullptr(C++11)

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:

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:

  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作为新关键字引入的。
  2. 在C++11中,sizeof(nullptr) sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
  3. 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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