内联函数与宏

因为函数的调用必须要将程序执行的顺序转移到函数所存放在内存中的某个地址,将函数的程序内容执行完后,再返回到转去执行该函数前的地方。这种转移操作要求在转去执行前要保存现场并记忆执行的地址,转回后要恢复现场,并按原来保存地址继续执行。因此,函数调用要有一定的时间和空间方面的开销,虽然函数调用开销是很小的,但它会被累积。于是将影响其效率。

      宏由预处理对其进行替代,在使用宏的地方把代码展开,不需要额外的空间和时间方面的开销,所以调用一个宏比调用一个函数更有效率。
  但是宏也有很多的不尽人意的地方。

  1、.宏不能访问对象的私有成员。
         在C++中引入了类及类的访问控制,这样,如果一个操作或者说一个表达式涉及到类的保护成员或私有成员,你就不可能使用这种宏定义来实现(因为无法将this指针放在合适的位置)。
  2、.宏的定义很容易产生二意性。
         这种宏定义在形式上类似于一个函数,但在使用它时,仅仅只是做预处理器符号表中的简单替换,因此它不能进行参数有效性的检测,也就不能享受C++编译器严格类型检查的好处,另外它的返回值也不能被强制转换为可转换的合适的类型,这样,它的使用就存在着一系列的隐患和局限性。 


  我们举个例子:

#define TABLE_MULTI(x) ((x)*(x))

我们用一个数字去 调用它,TABLE_MULTI(10),这样看上去没有什么错误,结果返回100,是正确的,但是如果我们用TABLE_MULTI(10+10)去调 用的话,我们期望的结果是400,而宏的调用结果是(10+10*10+10),结果是120,这显然不是我们要得到的结果。避免这些错误的方法,一是给 宏的参数都加上括号。

#define TABLE_MULTI(x) ((x)*(x))

这样可以 确保不会出错,但是,即使使用了这种定义,这个宏依然有可能出错,例如使用TABLE_MULTI(a++)调用它,他们本意是希望得到(a+1)* (a+1)的结果,而实际上呢?我们可以看看宏的展开结果: (a++)*(a++),如果a的值是4,我们得到的结果是5*6=30。而我们期望的结果是5*5=25,这又出现了问题。事实上,在一些C的库函数中 也有这些问题。例如: Toupper(*pChar++)就会对pChar执行两次++操作,因为Toupper实际上也是一个宏。 

    事实上我们可以用内联函数完全取代预处理宏。

   内联函数和宏的区别在于,宏是由预处理器对宏进行替代,而内联函数是通过编译器控制来实现的。在编译时是将函数直接嵌入调用程序的主体,省去了调用/返回指令,这样在运行时速度更快。而且内联函数是真正的函数,只是在需要用到的时候,内联函数像宏一样的展开,所以取消了函数的参数压栈,减少了调用的开销。你可以象调用函数一样来调用内联函数,而不必担心会产生于处理宏的一些问题。内联函数可以调试,而宏定义是不可以调试的。

      很明显,类的内联函数也是一个真正的函数,编译器在调用一个内联函数时,会首先检查它的参数的类型,保证调用正确。然后进行一系列的相关检查,就像对待任何一个真正的函数一样。这样就消除了它的隐患和局限性。 

  我们可以用Inline来定义内联函数,不过,任何在类的说明部分定义的函数都会被自动的认为是内联函数。

  下面我们来介绍一下内联函数的用法。

  内联函数必须是和函数体申明在一起,才有效。像这样的申明Inline Tablefunction(int I)是没有效果的,编译器只是把函数作为普通的函数申明,我们必须定义函数体。

     与非inline函数不同的是,inline函数必须在调用该函数的每个文本文件中定义。当然,对于同一程序的不同文件,如果inline函数出现的话,其定义必须相同。建议:内联函数应该在头文件中定义,这一点不同于其他函数。内联函数对于编译器必须是可见的,以便编译器能够在调用点内联展开该函数的代码。此时只有函数原型是不够的。内联函数可能在程序中定义不止一次,只要内联函数的定义在某个源文件中只出现一次,而且在所有源文件中,其定义必须完全相同。把内联函数的定义放在头文件中,可以确保在调用函数时所使用的定义是相同的,并保证在调用点该函数的定义对编译器是可见的。

Inline tablefunction(int I) {return I*I};

这样我们才算定义了一个内联函数。我们可以把它作为一般的函数一样调用。但是执行速度确比一般函数的执行速度要快。

  我们也可以将定义在类的外部的函数定义为内联函数,比如:

Class TableClass
{
 Private:
  Int I,j;
 Public:
  Int add() { return I+j;};
  Inline int dec() { return I-j;}
  Int GetNum();
}

inline int tableclass::GetNum()
{
return I;
}

上面申明的三个函数都是内联函数。在C++中,在类的内部定义了函数体的函数,被默认为是内联函数。而不管你是否有inline关键字。

   内联函数在C++类中,应用最广的,应该是用来定义存取函数。我们定义的类中一般会把数据成员定义成私有的或者保护的,这样,外界就不能直接读写我们类 成员的数据了。对于私有或者保护成员的读写就必须使用成员接口函数来进行。如果我们把这些读写成员函数定义成内联函数的话,将会获得比较好的效率。

Class sample
{
 Private:
  Int nTest;
 Public:
  Int readtest(){ return nTest;}
 Void settest(int I) {nTest=I;}
}

当然,内联函数也有一定的局限性。就是函数中的执行代码不能太多了,如果,内联函数的函数体过大,一般的编译器会放弃内联方式,而采用普通的方式调用函数。这样,内联函数就和普通函数执行效率一样了。(换句话说就是,你使用内联函数,只不过是向编译器提出一个申请,编译器可以拒绝你的申请)

     内联是以代码膨胀(复制)为代价,仅仅省去了函数调用的开销,从而提高函数的执行效率。如果执行函数体内代码的时间,相比于函数调用的开销较大,那么效率的收获会很少。另一方面,每一处内联函数的调用都要复制代码,将使程序的总代码量增大,消耗更多的内存空间。

以下情况不宜使用内联:

(1)如果函数体内的代码比较长,使用内联将导致内存消耗代价较高。

(2)如果函数体内出现循环,那么执行函数体内代码的时间要比函数调用的开销大。类的构造函数和析构函数容易让人误解成使用内联更有效。要当心构造函数和析构函数可能会隐藏一些行为,如“偷偷地”执行了基类或成员对象的构造函数和析构函数。所以不要随便地将构造函数和析构函数的定义体放在类声明中。一个好的编译器将会根据函数的定义体,自动地取消不值得的内联(这进一步说明了 inline 应该出现在函数的声明文件中)。

总结:

(1)、宏只做简单的字符串替换,函数是参数传递,所以必然有参数类型检查(支持各种类型,而不是只有字符串)。
(2)、宏不经计算而直接替换参数,函数调用则是将参数表达式求值再传递给形参。
(3)、宏在编译前进行,即先替换再编译。而函数是编译后,在执行时才调用的。宏占编译时间,而函数占执行时间。
(4)、宏参数不占空间,因为只做字符串替换,而函数调用时参数传递是变量之间的传递,形参作为局部变量占内存空间。
(5)、函数调用需要保留现场,然后转入调用函数执行,执行完毕再返回主调函数,这些耗费在宏中是没有的。

使用宏和内联函数都可以节省在函数调用方面的时间和空间开销。二者都是为了提高效率,但是却有着显著的区别:
(1)、在使用时,宏只做简单的预处理器符号表(字符串)中的简单替换。而内联函数可以进行参数类型检查,且具有返回值(也能被强制转换为可转换的合适类型)。
(2)、内联函数首先是函数,函数的许多性质都适用于内联函数(如内联函数可以重载)。
(3)、内联函数可以作为某个类的成员函数,这样可以使用类的保护成员和私有成员。而当一个表达式涉及到类保护成员或私有成员时,宏就不能实现了(无法将this指针放在合适位置)。

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