林汀
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inline

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什么是内联函数-inline

  1. 引出

    • 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

  2. 怎么定义内联函数

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      #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;
}

  3. 内联函数要注意的点

    • 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
    • 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

  4. 内联函数的坑

    • 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

inline 工作原理

  1. inline 不是在调用时发生控制转移关系，而是在编译阶段将函数体嵌入到每一个调用该函数的语句块中，编译器会将程序中出现inline的调用表达式用内联函数的函数体来替换，普通函数调用时，需要切换栈帧寄存器，同时栈中压入参数，返回值，然后跳转，这些都需要开销，而内联函数不要这些开销，直接将内联函数中函数体直接插入或者替换到该函数调用点
  2. 普通函数是将程序执行转移到被调用函数所存放的内存地址，当函数执行完后，返回到执行此函数前的地方。转移操作需要保护现场，被调函数执行完后，再恢复现场，该过程需要较大的资源开销
  3. 虽然内联函数在调用时直接进行展开，但实际在编译后代码中存在内联函数的定义，可以供编译器进行调用。普通函数可以有指向它的函数指针，内敛函数也可以有指向它的函数指针

inline的优点

  1. 不会产生函数调用开销。节省了调用函数时在堆栈上推送/弹出变量的开销。节省了函数返回调用的开销。
  2. 当你inline一个函数的时候，你可以让编译器对函数体执行上下文特定的优化，其他优化可以通过考虑调用上下文和被调用上下文的流程来获得，而对于普通函数不会有这种优化

inline的缺点

  1. 从内联函数中添加的变量会消耗额外的寄存器，在内联函数之后，如果要使用寄存器的变量数量增加，则可能会在寄存器变量资源利用方面产生开销，在函数调用点替换内联函数体时，函数使用的变量总数也会增加，用于存储变量的寄存器数量也会增加
  2. 如果你使用太多的内联函数，那么二进制可执行文件的大小会很大，因为相同的代码重复
  3. 过多的内联也会降低指令缓存命中率，从而降低从缓存内存到主内存的指令获取速度
  4. 如果有人更改内联函数内的代码，内联函数可能会增加编译时间开销，那么所有调用位置都必须重新编译，因为编译器需要再次替换所有代码，否则它将继续使用旧功能
  5. 内联函数可能会导致抖动，因为内联可能会增加二进制可执行文件的大小。内存抖动会导致计算机性能下降

inline的使用场景

  1. 内联函数一般只适用于比较短小，处理较为简单的函数。内联只是对编译器的请求，而不是命令。编译器可以忽略内联请求。编译器可能不会在以下情况下执行内联
    • 如果函数包含循环（for, while, do-while）；
    • 如果一个函数包含静态变量；
    • 如果一个函数是递归的；
    • 如果函数返回类型不是 void，并且函数体中不存在 return 语句；
    • 如果函数包含 switch 或 goto 语句；

c++内联函数也可以用来代替宏

  1. 先来讲讲宏

    • 使用宏的一个经典例子是求一个数的平方，如下所示：

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      #include <iostream>
using namespace std;
#define SQ(y) y*y

int main(){
    int n, sq;
    cin>>n;
    sq = SQ(n);
    cout<<sq<<endl;
    return 0;
}
// 运行结果
  9↙
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      看运行结果是没有啥问题的，但是当我们将宏调用 SQ(n) 换成 SQ(n+1) 后，就会出现意想不到的状况

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      #include <iostream>
using namespace std;
#define SQ(y) y*y

int main(){
    int n, sq;
    cin>>n;
    sq = SQ(n+1);
    cout<<sq<<endl;
    return 0;
}

// 运行结果
  9↙

  19

      我们期望的结果是 100，但这里却是 19，两者大相径庭。这是因为，宏展开仅仅是字符串的替换，不会进行任何计算或传值，上面的 sq = SQ(n+1); 在宏展开后会变为sq = n+1*n+1;，这显然是没有道理的

      如果希望得到正确的结果，应该将宏定义改为如下的形式：

      1

      #define SQ(y) (y)*(y)

      这样宏调用 sq = SQ(n+1); 就会展开为 sq = (n+1)*(n+1);，得到的结果就是 100。

      如果你认为这样就万事大吉了，那下面的结果会让你觉得考虑不周：

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      #include <iostream>
using namespace std;
#define SQ(y) (y)*(y)

int main(){
    int n, sq;
    cin>>n;
    sq = 200 / SQ(n+1);
    cout<<sq<<endl;
    return 0;
}

9↙
200

      之所以会出现这么奇怪的结果，是因为宏调用 sq = 200 / SQ(n+1); 会被展开为sq = 200 / (n+1) * (n+1);，当 n 被赋值 9 后，相当于 sq = 200 / 10 * 10，结果显然是 200

      要想得到正确的结果，还应该对宏加以限制，在两边增加 ( )，如下所示：

      1

      #define SQ(y) ( (y)*(y) )

      这样宏调用 sq = 200 / SQ(n+1); 就会展开为sq = 200 / ( (n+1) * (n+1) );，得到的结果就是 2

      说了这么多，我最终想强调的是，宏定义是一项 “细思极密” 的工作，一不小心就会踩坑，而且不一定在编译和运行时发现，给程序埋下隐患

  2. 如果在 1 的基础上将宏替换成 inline函数呢

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      #include <iostream>
using namespace std;
inline int SQ(int y){ return y*y; }
int main(){
    int n, sq;
    cin>>n;
    //SQ(n)
    sq = SQ(n);
    cout<<sq<<endl;
    //SQ(n+1)
    sq = SQ(n+1);
    cout<<sq<<endl;
    //200 / SQ(n+1)
    sq = 200 / SQ(n+1);
    cout<<sq<<endl;
    return 0;
}

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100
2

      看，一切问题迎刃而解！发生函数调用时，编译器会先对实参进行计算，再将计算的结果传递给形参，并且函数执行完毕后会得到一个值，而不是得到一个表达式，这和简单的字符串替换相比省去了很多麻烦，所以在编写 C++ 代码时我推荐使用内联函数来替换带参数的宏

  3. 使用inline函数替换宏的优点

    • 和宏一样，内联函数可以定义在头文件中（不用加 static 关键字），并且头文件被多次#include 后也不会引发重复定义错误。这一点和非内联函数不同，非内联函数是禁止定义在头文件中的，它所在的头文件被多次#include 后会引发重复定义错误
    • 内联函数在编译时会将函数调用处用函数体替换，编译完成后函数就不存在了，所以在链接时不会引发重复定义错误。这一点和宏很像，宏在预处理时被展开，编译时就不存在了。从这个角度讲，内联函数更像是编译期间的宏

inline的规范

  1. inline 是一种"用于实现的关键字"，而不是一种"用于声明的关键字"

    • inline 关键字可以只在函数定义处添加，也可以只在函数声明处添加，也可以同时添加；但是在函数声明处添加 inline 关键字是无效的，编译器会忽略函数声明处的 inline 关键字
    • 更为严格地说，内联函数不应该有声明，应该将函数定义放在本应该出现函数声明的地方，这是一种良好的编程风格

  2. 将内联函数的声明和定义分散到不同的文件中会出错

    • 在多文件编程中，我们通常将函数的定义放在源文件中，将函数的声明放在头文件中，希望调用函数时，引入对应的头文件即可，我们鼓励这种将函数定义和函数声明分开的做法。但这种做法不适用于内联函数，将内联函数的声明和定义分散到不同的文件中会出错，请看下面的例子

    • main.cpp 代码

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      #include <iostream>
using namespace std;
//内联函数声明
void func();
int main(){
    func();
    return 0;
}

    • module.cpp 代码

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      #include <iostream>
using namespace std;
//内联函数定义
inline void func(){
    cout<<"inline function"<<endl;
}

    • 上面的代码能够正常编译，但在链接时会出错。func() 是内联函数，编译期间会用它来替换函数调用处，编译完成后函数就不存在了，链接器在将多个目标文件（.o或.obj文件）合并成一个可执行文件时找不到 func() 函数的定义，所以会产生链接错误

  3. 内联函数虽然叫做函数，在定义和声明的语法上也和普通函数一样，但它已经失去了函数的本质

    • 函数是一段可以重复使用的代码，它位于虚拟地址空间中的代码区，也占用可执行文件的体积，而内联函数的代码在编译后就被消除了，不存在于虚拟地址空间中，没法重复使用

  4. 规范小结

    • 内联函数看起来简单，但是有很多细节需要注意，从代码重复利用的角度讲，内联函数已经不再是函数了。我认为将内联函数作为带参宏的替代方案更为靠谱，而不是真的当做函数使用
    • 在多文件编程时，我建议将内联函数的定义直接放在头文件中，并且禁用内联函数的声明（声明是多此一举）

Effective c++ Item

  1. 对于更多的inline知识请看《Effective c++ Item30》
更新于 2025-11-10  c802f48
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