内联函数

函数是一个可以重复使用的代码块，CPU 会一条一条地挨着执行其中的代码。CPU 在执行主调函数代码时如果遇到了被调函数，主调函数就会暂停，CPU 转而执行被调函数的代码；被调函数执行完毕后再返回到主调函数，主调函数根据刚才的状态继续往下执行。

一个 C/C++程序的执行过程可以认为是多个函数之间的相互调用过程，它们形成了一个或简单或复杂的调用链条，这个链条的起点是 main()，终点也是 main()。当 main() 调用完了所有的函数，它会返回一个值（例如return 0;）来结束自己的生命，从而结束整个程序。

函数调用是有时间和空间开销的。程序在执行一个函数之前需要做一些准备工作，要将实参、局部变量、返回地址以及若干寄存器都压入栈中，然后才能执行函数体中的代码；函数体中的代码执行完毕后还要清理现场，将之前压入栈中的数据都出栈，才能接着执行函数调用位置以后的代码。

如果函数体代码比较多，需要较长的执行时间，那么函数调用机制占用的时间可以忽略；如果函数只有一两条语句，那么大部分的时间都会花费在函数调用机制上，这种时间开销就就不容忽视。

为了消除函数调用的时空开销，C++ 提供一种提高效率的方法，即在编译时将函数调用处用函数体替换，类似于C语言中的宏展开。这种在函数调用处直接嵌入函数体的函数称为内联函数（Inline Function），又称内嵌函数或者内置函数。

指定内联函数的方法很简单，只需要在函数定义处增加 inline 关键字。请看下面的例子：

#include <iostream>
using namespace std;

//内联函数，交换两个数的值
inline void swap(int *a, int *b)
{
    int temp;
    temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main()
{
    int m, n;
    cin>>m>>n;
    cout<<m<<", "<<n<<endl;
    swap(&m, &n);
    cout<<m<<", "<<n<<endl;

    return 0;
}

//运行结果：
//45 99
//45, 99
//99, 45

注意，要在函数定义处添加 inline 关键字，在函数声明处添加 inline 关键字虽然没有错，但这种做法是无效的，编译器会忽略函数声明处的 inline 关键字。

当编译器遇到函数调用swap(&m, &n)时，会用 swap() 函数的代码替换swap(&m, &n)，同时用实参代替形参，以下为替换后的结果：

int temp;
temp = *(&m);
*(&m) = *(&n);
*(&n) = temp;

编译器可能会将 *(&m)、*(&n) 分别优化为 m、n。

当函数比较复杂时，函数调用的时空开销可以忽略，大部分的 CPU 时间都会花费在执行函数体代码上，所以我们一般是将非常短小的函数声明为内联函数。

由于内联函数比较短小，我们通常的做法是省略函数原型，将整个函数定义（包括函数头和函数体）放在本应该提供函数原型的地方。下面的例子写法是不被推荐的：

#include <iostream>
using namespace std;

//声明内联函数
void swap1(int *a, int *b); //也可以添加inline，但编译器会忽略

int main()
{
    int m, n;
    cin>>m>>n;
    cout<<m<<", "<<n<<endl;
    swap1(&m, &n);
    cout<<m<<", "<<n<<endl;

    return 0;
}

//定义内联函数
inline void swap1(int *a, int *b)
{
    int temp;
    temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

使用内联函数的缺点也是非常明显的，编译后的程序会存在多份相同的函数拷贝，如果被声明为内联函数的函数体非常大，那么编译后的程序体积也将会变得很大，所以再次强调，一般只将那些短小的、频繁调用的函数声明为内联函数。

对函数作 inline 声明只是程序员对编译器提出的一个建议，而不是强制性的，并非一经指定为 inline 编译器就必须这样做。编译器有自己的判断能力，它会根据具体情况决定是否这样做。

内联函数和宏定义

使用宏代码最大的缺点是容易出错，预处理在拷贝宏代码时常常产生意向不到的边际效应。
例如：

#define MAX(a,b) (a)>(b)?(a):(b)

语句：

result = MAX(i,j)+2;
//被预处理器扩展为 
result = (i)>(j)?(i):(j)+2;

由于运算符"+"比运算符"?:"的优先级高，所以上述语句并不等价于

result = ((i)>(j)?(i):(j))+2;

如果把宏代码改写为：

#define MAX(a,b) ((a)>(b)?(a):(b))

则能解决优先级的问题。但是会引发另一个问题

result = MAX(i++,j);
//被预处理器扩展为 
result = (i++)>(j)?(i++):(j) //在同一个表达式中i被两次求值。

宏的另一个缺点是不可调试。

内联机制既具备宏代码的效率，又增加了安全性，而且可以自由操作的类的数据成员，所以应该尽量使用内联函数来取代宏代码。

何时使用内联函数

内联能提高函数的执行效率，那么为什么不把所有的函数都定义成内联函数呢？
内联不是万灵丹，它以代码膨胀（拷贝）为代价，仅仅省区了函数调用的开销，从而提高程序的执行效率。（开销指的是参数的压栈、跳转、退栈和返回操作）。

• 一方面，如果执行函数体内代码的时间比函数调用的开销大得多，那么inline效率收益会很小。
• 另一方面，每一处内联函数的调用都要拷贝代码，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：

• 如果函数体内代码比较长，使用内联将导致可执行代码膨胀过大。
• 如果函数体内出现循环或者其他复杂的控制结构，那么执行函数体内代码的时间将比函数调用的开销大得多。