淺談C++中內聯函數的應用

摘 要：本文著重探究內聯的優點與局限性，說明什么情況下應該采用、不該采用以及要警惕錯用。

關鍵詞：C語言；C++；內聯函數

對比于C語言的函數，C++增加了重載、內聯、const和virtual四種新機制。其中重載和內聯機制既可用于全局函數也可用于類的成員函數，const與virtual機制僅用于類的成員函數。重載和內聯肯定有其好處才會被C++語言采納，但是不可以當成免費的午餐而濫用。

1 用內聯取代宏代碼

C++語言支持函數內聯，其目的是為了提高函數的執行效率。在C程序中，可以用宏代碼提高執行效率。宏代碼本身不是函數，但使用起來象函數。預處理器用復制宏代碼的方式代替函數調用，省去了參數壓棧、生成匯編語言的CALL調用、返回參數、執行return等過程，從而提高了速度。使用宏代碼最大的缺點是容易出錯，預處理器在復制宏代碼時常常產生意想不到的邊際效應。

例如“#define MAX（a，b） （a）>（b）？（a）：（b）”語句“result=MAX（i，j）+2；”將被預處理器解釋為“result=（i）>（j）？（i）：（j）+2；”由于運算符‘+’比運算符‘：’的優先級高，所以上述語句并不等價于期望的“result=（（i）>（j）？ （i）：（j））+2；”。如果把宏代碼改寫為“#define MAX（a，b）（（a）>（b）？（a）：（b））”，則可以解決由優先級引起的錯誤。但是即使使用修改后的宏代碼也不是萬無一失的，例如語句“result=MAX（i++，j）；”將被預處理器解釋為“result=（i++）>（j）？（i++）：（j）；”。對于C++ 而言，使用宏代碼還有另一種缺點，即無法操作類的私有數據成員。

讓我們看看C++的“函數內聯”是如何工作的。對于任何內聯函數，編譯器在符號表里放入函數的聲明。如果編譯器沒有發現內聯函數存在錯誤，那么該函數的代碼也被放入符號表里。在調用一個內聯函數時，編譯器首先檢查調用是否正確。如果正確，內聯函數的代碼就會直接替換函數調用，于是省去了函數調用的開銷。這個過程與預處理有顯著的不同，因為預處理器不能進行類型安全檢查，或者進行自動類型轉換。假如內聯函數是成員函數，對象的地址會被放在合適的地方，這也是預處理器辦不到的。

C++語言的函數內聯機制既具備宏代碼的效率，又增加了安全性，而且可以自由操作類的數據成員。所以在C++程序中，應該用內聯函數取代所有宏代碼，“斷言assert”恐怕是唯一的例外。assert是僅在Debug版本起作用的宏，它用于檢查“不應該”發生的情況。為了不在程序的Debug版本和Release版本引起差別，assert不應該產生任何副作用。如果assert是函數，由于函數調用會引起內存、代碼的變動，那么將導致Debug版本與Release版本存在差異。所以assert不是函數，而是宏。

2 內聯函數的編程風格

關鍵字inline必須與函數定義體放在一起才能使函數成為內聯，僅將inline放在函數聲明前面不起任何作用。如下風格的函數Foo不能成為內聯函數：

inline void Foo（int x， int y）； // inline僅與函數聲明放在一起

void Foo（int x， int y）

{

…

}

而如下風格的函數Foo則成為內聯函數：void Foo（int x， int y）；

inline void Foo（int x， int y）// inline與函數定義體放在一起

{

…

}

所以說，inline是一種“用于實現的關鍵字”，而不是一種“用于聲明的關鍵字”。一般地，用戶可以閱讀函數的聲明，但是看不到函數的定義。盡管在大多數教科書中內聯函數的聲明、定義體前面都加了inline關鍵字，但我認為inline不應該出現在函數的聲明中。這個細節雖然不會影響函數的功能，但是體現了高質量C++/C程序設計風格的一個基本原則：聲明與定義不可混為一談，用戶沒有必要、也不應該知道函數是否需要內聯。

定義在類聲明之中的成員函數將自動地成為內聯函數，例如

class A

{

public：

void Foo（int x， int y） { … } // 自動地成為內聯函數

}

將成員函數的定義體放在類聲明之中雖然能帶來書寫上的方便，但不是一種良好的編程風格，上例應該改成：

// 頭文件

class A

{

public：

void Foo（int x， int y）；

}

// 定義文件

inline void A：：Foo（int x， int y）

{

…

}

3 慎用內聯

內聯能提高函數的執行效率，為什么不把所有的函數都定義成內聯函數？但如果所有的函數都是內聯函數，還用得著“內聯”這個關鍵字嗎？

內聯是以代碼膨脹（復制）為代價，僅僅省去了函數調用的開銷，從而提高函數的執行效率。如果執行函數體內代碼的時間，相比于函數調用的開銷較大，那么效率的收獲會很少。另一方面，每一處內聯函數的調用都要復制代碼，將使程序的總代碼量增大，消耗更多的內存空間。以下情況不宜使用內聯：

⑴如果函數體內的代碼比較長，使用內聯將導致內存消耗代價較高。

⑵如果函數體內出現循環，那么執行函數體內代碼的時間要比函數調用的開銷大。

類的構造函數和析構函數容易讓人誤解成使用內聯更有效。要當心構造函數和析構函數可能會隱藏一些行為，如“偷偷地”執行了基類或成員對象的構造函數和析構函數。所以不要隨便地將構造函數和析構函數的定義體放在類聲明中。一個好的編譯器將會根據函數的定義體，自動地取消不值得的內聯，這也進一步說明了inline不應該出現在函數的聲明中。

C++語言中的內聯展現了很多優點，但是這些優點的背后都隱藏著一些隱患。正如人們的飲食，少食和暴食都不可取，應當恰到好處。我們要辨證地看待C++的一些新機制，應該恰如其分地使用它們。雖然這會使我們編程時多費一些心思，少了一些痛快，但這才是編程的藝術。