【C++】6. 内联函数

优化代码:内联函数与宏函数的运用与比较
内联函数和宏函数都是为了解决函数调用开销问题,宏函数通过预处理进行文本替换,可能产生计算错误。内联函数在C++98引入,C99也支持,能避免函数调用的栈帧创建,提高效率,但编译器可根据情况决定是否内联。内联函数不适合长函数、递归或有复杂控制流的情况。注意内联函数的声明和定义需在同一作用域,否则可能导致链接错误。


前言

当我们调用函数时,是有很多消耗的。其中最大的销毁就是为函数开辟空间 - 函数栈帧。
如果我们有一个函数,很短,而且要调用很多次,比如Swap()。它所造成消耗就比较大,那有没有一种方式来减少消耗?内联函数可以帮我们解决这个问题。

内联函数是在c++98引入,现在c语言的C99版本也引入了内联函数。


一、宏函数

其实在没有引入内联函数前,已经有一种方式可以解决这个问题了,即宏函数。

宏函数并非是一个函数,本质是一种替换

在这里插入图片描述

注意:宏函数的书写方式,这里不能将 ((x)+(y)) 写成 x+y
因为这会出现很多错误

  1. int c = Add(a,b) * 10 -> int c = a + b * 10 结果不正确
  2. int c = Add(a | b, a & b) -> int c = a | b + a & b +的优先级比|和&高,则计算顺序为 a | (b + a) & b

所以宏函数的括号不能随便删减,以防出现很多计算错误。


既然宏函数可以解决,那为什么还要引入内联函数呢?
因为宏函数无法调用,内联函数可以解决这个问题。


二、内联函数

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。
在这里插入图片描述

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通过汇编代码可以看到它们的区别
在这里插入图片描述


但内联函数并不是我们想要就要的,inline关键字对编译器来说只是建议,而不是强制要求。
因为,通过上面的介绍,我们知道内联函数适合以下几种情况

  1. 函数体比较短,能在调用点展开且展开后代码不会过于冗长。
  2. 函数被频繁调用,以提高执行效率。
  3. 函数不使用递归、循环、switch 等流程控制语句。

如果你的函数体很长,调用频繁,使用了递归,那此时它如果作为内联函数,编译器拒绝你的建议。
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在这里插入图片描述


三、内联函数的易错点

别让内联函数的声明和定义分离

c和c++需要经过以下过程才能生成可执行程序。
在这里插入图片描述
具体过程如下:
在这里插入图片描述
而内联函数是不会进入符号表的,因为它不需要去链接,它是直接展开在调用的地方。
如果你将内联函数的声明和定义放在了不同的文件中,则会出现链接错误。

<think>首先,用户的问题是:“编译器在什么情况下会拒绝 inline 请求?2. 内联函数与模板函数结合使用时有哪些特殊规则?3. 如何通过 __attribute__((always_inline)) 强制 GCC 内联?4. 内联函数过度使用会导致哪些代码膨胀问题?5. C++17 的 constexpr if 如何影响内联策略?” 这是一个列表,我需要回答所有这些问题。用户似乎在引用我之前提出的相关问题,现在要求我回答它们。我必须使用中文回答问题。 我的回答结构: - 先回答问题。 - 然后,在末尾,必须提出3-5个 §§相关问题§§。 - §§相关问题§§ 必须输出在回答的末尾,第一行完整输出 "§§相关问题§§",禁止换行分散。 - 所有内容必须符合规则。 所以,我需要: 1. 回答每个问题。 2. 在回答后,提出3-5个新的相关问题。 问题列表: 1. 编译器在什么情况下会拒绝 inline 请求? 2. 内联函数与模板函数结合使用时有哪些特殊规则? 3. 如何通过 __attribute__((always_inline)) 强制 GCC 内联? 4. 内联函数过度使用会导致哪些代码膨胀问题? 5. C++17 的 constexpr if 如何影响内联策略? 我需要逐个回答这些问题,使用中文。 回答格式: - 我可以结构化回答,比如分成几个部分。 - 最后添加 §§相关问题§§。 示例格式显示,在代码块后直接有 §§相关问题§§,所以我可以先写回答,然后在最后添加相关问题。 现在,规划回答: 1. **编译器在什么情况下会拒绝 inline 请求?** - 解释情况:例如,函数体太大、递归函数、虚函数、包含循环等。 2. **内联函数与模板函数结合使用时有哪些特殊规则?** - 模板函数默认有内联倾向,但编译器决定;讨论隐式内联和显式声明。 3. **如何通过 __attribute__((always_inline)) 强制 GCC 内联?** - 描述 GCC 属性语法:在函数声明后添加 __attribute__((always_inline))。 4. **内联函数过度使用会导致哪些代码膨胀问题?** - 解释代码膨胀:可执行文件变大、缓存不命中、性能下降。 5. **C++17 的 constexpr if 如何影响内联策略?** - constexpr if 允许编译时条件分支,可能影响内联决策;讨论与内联的交互。 然后,提出3-5个新的相关问题。这些应该基于当前问题和回答。 新的相关问题想法: - 例如: 1.C++20 中,concept 如何影响模板函数的内联? 2. 如何测量内联函数对性能的实际影响? 3. 在跨平台开发中,不同编译器对内联的处理有何差异? 4. 内联函数与宏在性能优化中的比较。 5. C++11 的 constexpr 函数与内联函数的关系。 确保总共有3-5个。 最后,输出格式: - 回答内容。 - 然后 "§§相关问题§§" - 接着相关问题列表,如 "1. ···" 等。 用中文写所有内容。</think>### 编译器在什么情况下会拒绝 inline 请求? 编译器拒绝 `inline` 请求的主要情况包括: 1. **函数体过大**:函数代码超过编译器阈值(通常 50-100 行),内联会导致代码膨胀。 2. **复杂控制流**:包含循环、递归调用或 switch 语句,内联可能降低性能。 3. **虚函数**:虚函数需动态绑定,无法在编译时确定调用点。 4. **函数指针调用**:通过函数指针调用时,编译器无法解析具体实现。 5. **调试模式**:在调试构建(`-g` 标志)中,编译器优先保留函数调用以便断点调试。 6. **跨模块调用**:函数定义在另一个编译单元(如 `.cpp` 文件),且未在头文件实现。 例如: ```cpp inline void complexFunction() { for(int i=0; i<1000; i++) { /* 循环导致内联被拒绝 */ } } ``` ### 内联函数与模板函数结合使用时有哪些特殊规则? 1. **隐式内联倾向**:模板函数在头文件定义时,编译器倾向于内联处理,无需显式 `inline`。 2. **显式声明冲突**:显式添加 `inline` 可能被忽略,编译器优先基于函数复杂度决策。 3. **实例化影响**:模板实例化在调用点生成代码,天然适合内联,但递归或大型实例可能被拒绝。 4. **ODR(单一定义规则)**:模板函数允许多次定义,内联时需确保所有编译单元定义一致。 5. **C++17 折叠表达式**:模板结合折叠表达式(如 `(args + ...)`)时,简单操作易内联。 示例: ```cpp template <typename T> T add(T a, T b) { // 隐式内联候选 return a + b; } ``` ### 如何通过 __attribute__((always_inline)) 强制 GCC 内联? 在 GCC 编译器中,使用 `__attribute__((always_inline))` 强制内联: 1. **语法规则**:在函数声明后添加属性,覆盖编译器启发式决策。 2. **适用场景**:仅用于短小函数(如 1-3 行),强制内联可能破坏调试或增大代码。 3. **注意事项**:需配合 `-O2` 或更高优化级别;过度使用可能导致链接错误或性能下降。 示例: ```cpp // 强制内联函数 __attribute__((always_inline)) inline int multiply(int a, int b) { return a * b; } ``` ### 内联函数过度使用会导致哪些代码膨胀问题? 过度内联引发的代码膨胀问题: 1. **可执行文件增大**:多次内联展开复制函数体,显著增加二进制大小。 2. **缓存效率降低**:代码体积过大导致 CPU 缓存不命中,降低指令吞吐量。 3. **编译时间延长**:大量内联增加编译器优化负担。 4. **内存占用上升**:在嵌入式系统中,可能耗尽有限的内存资源。 5. **反优化效应**:热点代码被稀释,影响分支预测和流水线效率。 ### C++17 的 constexpr if 如何影响内联策略? `constexpr if` 在编译时条件分支中优化内联: 1. **死代码消除**:未选择的分支在编译期移除,减少内联后的冗余代码。 2. **内联友好性**:编译时确定的路径更简单,编译器更易内联剩余代码。 3. **模板元编程优化**:结合模板时,避免实例化未使用路径,降低内联膨胀风险。 4. **性能权衡**:常量条件提升内联概率,但复杂 `constexpr if` 结构可能抑制内联。 示例: ```cpp template <typename T> auto process(T value) { if constexpr (std::is_integral_v<T>) { return value * 2; // 简单路径易内联 } else { return value; // 编译期移除非整型路径 } } ```
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