05【C++ 入门基础】内联、auto、指针空值

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前言

A.内联

我们知道函数调用要经过一系列底层操作的开销：

1.将返回地址压入栈。
2.将寄存器状态（部分或全部）保存到栈中（调用约定决定）。
3.将参数压入栈或复制到指定寄存器。
4.跳转到被调用函数的代码段。
5.函数执行完毕后，恢复寄存器状态和栈指针。
6.跳回调用点。

当函数体很小，但被调用成千上万次时，这些调用开销甚至可能比函数本身执行的计算所花的时间还要长！​

于是C++中就有了内联函数。

B.auto
auto是C++11的特性。

C++ 引入了模板、STL/Boost等复杂容器和算法库、Lambda表达式、智能指针等。
这导致：
1.类型名称复杂（如 std::vector<std::map<std::string,std::shared_ptr<MyClass>>>::const_iterator）。（类型名复杂）
2.出现了程序员无法写出名字的类型（Lambda 表达式）。（更复杂的抽象和泛型编程范式无法被满足）

auto关键字在C语言中也有，只是它很不起眼，在C++11，赋予了auto新的意义，以解决上述问题。

C.指针空值
nullptr也是C++11才引入。

C++11中引入了nullptr，C++才真正有了自己的空指针。

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1.内联

我们知道调用一个函数需要创建栈帧，如果一个函数需要多次调用，特别是小函数，可能栈帧的消耗比函数体本身的逻辑还要大，怎么办？

1. 宏函数
   宏是在程序预处理阶段直接替换的，所以它无需创建栈帧，但是它也有缺点：

宏函数优点：无需建立栈帧，调用效率提高。
宏函数缺点：复杂，容易出错，可读性差，不可调试。

2. 然后就是使用内联函数。

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。

1.1内联的使用

inline int Add(int left,int right) //放在函数定义的前面
{return left + right;
}

使用inline 修饰Add函数之后，我们程序中所有使用Add函数的地方，都不会创建栈帧去调用函数，而是直接在调用的地方将我们的函数体展开。

实际上内联的函数不是源代码级的文本替换，而是编译器在生成机器码时消除函数调用开销​（如保存寄存器、跳转指令等），直接将函数逻辑嵌入调用点。

不使用内联时：

使用内联时：

没有了对函数调用（call），也就不会创建函数栈帧。

1.2内联的特性

想象如果有一个很长的的函数，但是我们给它定义了内联，那么在所有调用这个长函数的地方，都会直接的进行函数展开而不是创建栈帧调用函数，那么我们的整个程序的体量就会变的非常巨大。

理解：因为如果是函数，它是只存一份的，需要的时候去调用，但是如果现在是内联的直接展开，那么有多少次调用，就会有多少份函数的代码存在程序中。

所以随意的使用内联绝对是不可以的，为了防止滥用，内联其实有以下的特性：

1. inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替
   换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
2. inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。
3. inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到。

// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);
// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{cout << i << endl;
}
// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{f(10);return 0;
}
// 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

如何查看一个函数是否内联？（vs2022为例）

1. release模式下，直接查看编译器生成的汇编代码中是否有call。
   在F10打开调试的前提下，右键代码处找到反汇编。
   

2. 在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为debug模式下，编译器默认不会对代码进
   行优化，以下给出vs2022的设置方式)
   
   
   
   

内联相关面试题：

宏的优缺点？
优点：1. 增强代码的复用性。2. 提高性能。缺点：
1. 不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
2. 导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。
3. 没有类型安全的检查 。C++有哪些技术替代宏？
1. 常量定义 换用const enum
2. 短小函数定义 换用内联函数

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2.auto

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：

1. 类型难于拼写
2. 含义不明确导致容易出错
3. 后续还有一些无法写出名字的类型（Lambda 表达式）

#include <string>
#include <map>
int main()
{std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange", "橙子" },{"pear","梨"} };std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();while (it != m.end()){it++;    }return 0;
}

std::map<std::string, std::string>::iterator 是一个类型，但是该类型太长了，特别容易写错。聪明的同学可能已经想到：可以通过typedef给类型取别名，比如：

#include <string>
#include <map>
typedef std::map<std::string, std::string> Map;
int main()
{Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };Map::iterator it = m.begin();while (it != m.end()){it++;}return 0;
}

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef有会遇到新的难题：

typedef char* pstring;
int main()
{const pstring p1;  // 编译成功还是失败？  失败const pstring* p2; // 编译成功还是失败？  成功return 0;
}

1. typedef定义的是完全等价于原始类型的别名​，是一整个类型，它不是像宏一样简单的替换！
2. const的修饰规则是：左边有就修饰左边，左边没有就修饰右边。

所以我们上面的const pstring p1;实际上是：const (char*) p1;，我们平时的写法是 char* const p1;，所以const修饰的其实是指针，所以是指针p1本身的值不能改变，而指针p1指向的内容可以改变，p1我们称为常量指针，指针的本身是常量，而对于常量，是必须要初始化的，
所以这里的报错就是：常量没有初始化！！

那么const pstring* p2;实际上就是const (char*)* p2;，我们平时的写法是 ((char*) const)* p1;，const修饰的还是指针，所以是p2本身是一个指针，而它指向的是一个常量指针，p2本身并不是常量，所以允许先不初始化，
所以第二行可以编译成功！

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。

我们暂时不用理解map、iterator 、是什么，我们只需要知道auto可以用于长类型的自动推导。

2.2 auto的使用

2.2.1 auto普通使用

int TestAuto()
{return 10;
}
int main()
{int a = 10;auto b = a;auto c = 'a';auto d = TestAuto();cout << typeid(b).name() << endl;       //int cout << typeid(c).name() << endl;       //charcout << typeid(d).name() << endl;       //int//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化return 0;
}

使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

2.2.2 auto与指针和引用结合使用

auto还可以与指针和引用结合起来使用：
用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&

int main()
{int x = 10;auto a = &x;auto* b = &x;auto& c = x;cout << typeid(a).name() << endl;        //int* __ptr64cout << typeid(b).name() << endl;        //int* __ptr64cout << typeid(c).name() << endl;        //int*a = 20;*b = 30;c = 40;return 0;
}

还可以在同一行定义多个变量：
当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对
第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

void TestAuto()
{auto a = 1, b = 2; auto c = 3, d = 4.0; // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

auto在实际中最常见的优势用法就是复杂类型的自动推导，跟C++11提供的新式for循环（范围for），还有以后会讲的lambda表达式等进行配合使用。

2.2.3 C++11中基于范围的for循环（auto的特殊使用）

在C++98中如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：

void TestFor()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)array[i] *= 2;for (int* p = array; p < array + sizeof(array)/ sizeof(array[0]); ++p)cout << *p << endl;
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。
因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

void TestFor()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };for(auto& e : array)e *= 2;for(auto e : array)cout << e << " ";return 0;
}

注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

范围for的使用条件：

1. for循环迭代的范围必须是确定的
   对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供begin和end的方法，begin和end就是for循环迭代的范围。
   注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定

void TestFor(int array[])
{for(auto& e : array)cout<< e <<endl;
}

2. 迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题，以后会讲，现在提一下，没办法讲清楚，现在大家了解一下就可以了)

2.2.4 不能使用auto推导的场景

1. auto不能作为函数的参数

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}

2. auto不能直接用来声明数组

void TestAuto()
{int a[] = {1,2,3};auto b[] = {4，5，6};
}

3. auto不可以推导传入函数的数组指针

void TestFor2(int arr[])
{for(auto& e: arr){cout << e << endl;}
}
//因为arr是一个指针，表示数组的首元素的地址，for的范围不确定。

4. 为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法

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3.指针空值

在 C 和早期 C++ 中，NULL 通常被定义为一个宏：

#define NULL 0
// 或者有时候定义为：
#define NULL ((void*)0)

因为 C++ 不允许直接将 void* 隐式转换为其他指针类型（C 语言允许），而且C++需要向前兼容，所以 ​C++ 标准库中的 NULL 几乎总是被定义为 0（一个整数常量），而不是 ((void*)0)，因为0可以允许被转换成任意指针类型。
由于 NULL 被定义为 0，​它的类型是整型，而不是一个指针类型！​​编译器在进行类型推导或重载解析时，会将它视为一个整数，而不是一个指针：

void myFunc(char*);   // 重载版本 1：参数为字符指针
void myFunc(int);     // 重载版本 2：参数为整数// 我想调用 myFunc(char* ptr) 所以要传递一个空指针：
myFunc(NULL);        // 编译通过，但是NULL实际上是宏定义的0，它会调用到版本2。
myFunc((char*)NULL); // 我们只能将0强转成对应的指针类型，才可以调用到版本1。
myFunc(nullptr);     // 有了nullptr之后，就可以直接调用到版本1。

注意：

1. 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。
2. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
3. 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。

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总结

1. 内联函数的出现是为了解决 C++ 中函数调用带来的性能开销问题。
2. 内联针对的是那些短小，但是调用频繁的函数。
3. 内联只是一种给编译器的建议，是否真正的采纳，得看编译器的优化程度。
4. auto在C++11被赋予新的意义，以解决类型名称复杂和支持泛型编程范式。
5. auto正常使用于复杂类型推导，还可以与引用和指针搭配使用，还有用于“基于范围的for循环”的特殊使用方法。
6. auto不可用于推导函数的参数，也不可用于用作数组的推导。
7. nullptr结局了C++中没有真正意义上的空指针的问题。
8. 不直接改NULL为(void*)0，是因为C++中不允许void*转换成其他指针类型，而且需要向前兼容（兼容C语言）。

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本文章为作者的笔记和心得记录，顺便进行知识分享，有任何错误请评论指点：）。