宏替代和内联函数的用法

wanrenqi

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分类专栏： stm32F4编程技巧文章标签： c语言 c++

于 2023-02-27 11:42:35 首次发布

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文章探讨了宏替代在提高代码可读性和执行效率上的作用，特别是在简化简短函数调用时的优势。同时指出了宏替代的缺点，如无参数检查和可能导致代码膨胀。内联函数作为折衷方案，结合了宏和函数的优点，但在某些情况下需要编译器支持。文章还强调了使用宏时需注意括号的正确使用，以避免运算优先级问题。

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文章目录

1、宏替代的优点

1.1、提高代码的可读性和可维护性

例子： #define PI 3.14 ，代码中用到3.14的地方都可以用PI来替代。当要修改PI的精度时，也不需要把代码中的每个3.14 改成3.1415，而是直接 #define PI 3.1415，就行。

1.2、提高代码的执行效率

当使用宏来替代简短函数时，可以提高代码的执行效率。

1.2.1、什么是简短函数

   1、代码只有1~5行
   2、函数中没有循环

1.2.2、简短函数的缺点

  调用开销比较大   
   
  1、时间开销：调用时跳转到被调函数处执行，函数执行完毕后，返回到调用处，这些都是需要时间的
  2、空间开销：调用函数时，往往需要在栈中为形参开辟空间，所以有空间开销，而且开辟和释放形参的空间，也是需要时间的，也有时间开销。

所以对于简短函数来说，函数调用的开销甚至都有可能大于那1~5行代码的运行开销，特别是当这个简短函数会被频繁调用时，累积的开销就更大了，所以这个时候就可以使用“带参宏”来替代了。例如：

//简短函数                   
void exchange(int *p1, int *p2)
{
    int tmp = 0;
    tmp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = tmp;
}
//带参宏替代函数
#define EXCHANGE(p1, p2) \
         int tmp = 0;\
         tmp = p1;\
         p1 = p2;\
         p2 = tmp;\

我们写一个main函数看下调用带参宏和函数的区别：

int main(void)
{
  int a = 10;
  int b = 30;
  
  EXCHANGE(a, b);
  exchange(&a, &b);
  while(1){}
}

看下上面代码生成的汇编：

    32: int main(void) 
0x08000182 4770      BX       lr
    33: { 
    34:  
0x08000184 B50C      PUSH     {r2-r3,lr}
    35:   int a = 10; 
0x08000186 200A      MOVS     r0,#0x0A
0x08000188 9001      STR      r0,[sp,#0x04]
    36:   int b = 30; 
    37:    
0x0800018A 201E      MOVS     r0,#0x1E
0x0800018C 9000      STR      r0,[sp,#0x00]
    38:   EXCHANGE(a, b); 
0x0800018E 2400      MOVS     r4,#0x00
0x08000190 9C01      LDR      r4,[sp,#0x04]
0x08000192 9800      LDR      r0,[sp,#0x00]
0x08000194 9001      STR      r0,[sp,#0x04]
0x08000196 9400      STR      r4,[sp,#0x00]
    39:   exchange(&a, &b); 
    40:    
0x08000198 4669      MOV      r1,sp
0x0800019A A801      ADD      r0,sp,#0x04
0x0800019C F7FFFFEC  BL.W     exchange (0x08000178)
    41:         while(1) 
0x080001A0 BF00      NOP

可以看出当使用带参宏来替换简短函数exchange（）时，直接用的是替换，没有像调用简短函数那样需要跳转( BL.W exchange (0x08000178))，提高了代码的执行效率。

2、宏替代的缺点

1、只做替换，不做入参检查，（在编译的预处理阶段就替换）
2、长函数不能做替代，如果替代了，调用的地方多的话，代码量会急剧增加。

3、宏替代函数和函数调用的区别

宏： 只做替换，不做类型检查，执行效率高；
函数：会做类型检查，但是不做替换(函数只能调用)，而调用时，时间和空间的开销大效率相对低

为了将二者的特点融合下，后来就有了“内联函数”，内联函数的特点是：

1、有函数的特性：内联函数有形参，会进行类型检查
2、有宏的特点：内联函数和宏一样，也是替换，不是函数调用；

说白了内联函数就是一个宏和函数的特点相综合后的产物，所以对于简短函数来说，最好的方式是使用内联函数来实现但，内联函数的缺点是：需要编译器支持。例子：

//内联函数
inline void exchange2(int *p1, int *p2)
{
    int tmp = 0;
    tmp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = tmp;
}

调用时生成的汇编代码：

    39:   exchange(&a, &b); 
0x08000198 4669      MOV      r1,sp
0x0800019A A801      ADD      r0,sp,#0x04
0x0800019C F7FFFFEC  BL.W     exchange (0x08000178)
    40:   exchange2(&a, &b); 
    41:    
0x080001A0 BF00      NOP      
    26:     int tmp = 0; 
0x080001A2 2000      MOVS     r0,#0x00
    27:     tmp = *p1; 
0x080001A4 9801      LDR      r0,[sp,#0x04]
    28:     *p1 = *p2; 
0x080001A6 9900      LDR      r1,[sp,#0x00]
0x080001A8 9101      STR      r1,[sp,#0x04]
    29:     *p2 = tmp; 
0x080001AA 9000      STR      r0,[sp,#0x00]

4、使用宏需要注意的几点

1、宏定义为#define ，不带分号
2、预处理器将会把宏函数中的常量表达式计算成其中结果，然后进行替代。
3、宏定义的整体和每一个参数都要用括弧

解释下第2点：假设有这样一个宏函数，且有如下的宏调用

#define Q15(Float_Value) \
(((Float_Value) < 0.0) ? (s32)(32768 * (Float_Value) - 0.5): (s32)(32767 * (Float_Value) + 0.5)) 

 a = Q15(2.0/4.0);    
 b = Q15(sqrt(4)/4.0);

对于 $a = Q 15 (2.0/4.0);$ 预处理器会将其展开为 ((s32)(32767 * (2.0/4.0) + 0.5))，然后计算出结果并替代宏调用的位置。
而对于 $b = Q 15 (s q r t (4) /4.0);$ 这样的宏调用，预处理器将无法直接计算平方根。预处理器只能处理简单的宏替换和基本的预处理指令。
看下生成的汇编代码：

    44:         while(1) 
    45:         { 
0x08000DA0 E040      B        0x08000E24
    46:     a = Q15(2.0/4.0); //预处理器会将其展开为 ((s32)(32767 * (2.0/4.0) + 0.5))，然后计算出结果并替代宏调用的位置。 
    47:      
0x08000DA2 F44F4080  MOV      r0,#0x4000
0x08000DA6 9002      STR      r0,[sp,#0x08]
    48:     b = Q15(sqrt(4)/4.0); //这样的宏调用，预处理器将无法直接计算平方根。预处理器只能处理简单的宏替换和基本的预处理指令 
0x08000DA8 2000      MOVS     r0,#0x00
0x08000DAA 4922      LDR      r1,[pc,#136]  ; @0x08000E34
0x08000DAC F000F848  BL.W     sqrt (0x08000E40)
0x08000DB0 4606      MOV      r6,r0
0x08000DB2 2200      MOVS     r2,#0x00
0x08000DB4 4B1F      LDR      r3,[pc,#124]  ; @0x08000E34
0x08000DB6 F7FFFAE5  BL.W     __aeabi_ddiv (0x08000384)
0x08000DBA 4604      MOV      r4,r0
0x08000DBC 2200      MOVS     r2,#0x00
0x08000DBE 4613      MOV      r3,r2
0x08000DC0 F7FFFB6E  BL.W     __aeabi_cdcmpeq (0x080004A0)
0x08000DC4 D216      BCS      0x08000DF4
0x08000DC6 2000      MOVS     r0,#0x00
0x08000DC8 491A      LDR      r1,[pc,#104]  ; @0x08000E34
0x08000DCA F000F839  BL.W     sqrt (0x08000E40)
0x08000DCE 4682      MOV      r10,r0
0x08000DD0 2200      MOVS     r2,#0x00