C++ ：C宏函数的升级：内联函数inline
大家好，这里是彩妙呀~
今天为大家带来的是C=>C++中比较好用的一个转变：由宏函数到内联函数的转变：linline函数
内联函数的核心概念
内联函数 ： 是C++中一种优化技术，他通过inline关键字声明的函数。
编译器在编译时会将函数调用处直接替换为函数体的代码，而不是进行常规的函数调用（保存返回地址、参数压栈、跳转到函数体、返回等）
为什么需要内联函数
学过C语言宏函数（如果忘了，本博客会在下文中简单说一下）说过：我们在调用函数时，需要进行常规的函数调用（保存返回地址、参数压栈、跳转到函数体、返回等）。而函数调用通常情况下都会需要执行入栈参数、保存上下文、跳转执行等操作，会增加额外时间开销（这部分属于函数部分的底层知识，CSAPP中会详细讲解这些知识）。而宏通过预处理直接替换代码，避免了调用开销，但可能导致代码冗余和类型安全隐患。
所以，为了去解决宏函数所带来的问题，C++引入了inline函数来替代宏函数，即解决了宏函数的缺陷与问题，有会保留宏函数的效率与优势。
C语言中的宏函数
某某大厂面试题：
什么是宏函数？它有什么作用？
在什么场景下应该使用宏函数而不是函数？
宏定义和普通函数的主要区别是什么？
宏函数的缺陷有哪些？
为什么C++引入了内联函数来替代宏函数？
宏函数与内联函数的区别是什么？
所以，综合看来，这部分是HR考察你基本功的好问题。
看完本博客，你会逐一解决以上问题：
什么是宏函数？它有什么作用？
宏函数是C/C++中使用#define预处理指令定义的代码片段，通过文本替换的方式在编译前替换到源代码中。
作用：提高代码效率（避免函数调用开销）、简化重复代码、实现条件编译等。
在项目中，经常把一些短小而又频繁使用的函数写成宏函数（函数体非常短小或者需要频繁调用的函数：如MAX，MIN等，），这是由于宏函数没有普通函数参数压栈、跳转、返回等的开销，可以提高程序的效率。
宏函数与普通函数的区别（文件在linux环境下，采用gcc来编译）：
预处理(进⾏宏替换) ： gcc –E hello.c –o hello.i ==> 选项“-E”,该选项的作⽤是让 gcc 在预处理结束后停⽌编译过程。选项“-o”是指⽬标⽂件,“.i”⽂件为已经过预处理的C原始程序。
- 宏在预处理阶段展开，函数在运行时调用
宏的本质是文本替换（在预处理时，所有的#define 都会进行文本替换），而函数则需要函数调用才能执行函数体。
- 宏无类型检查，函数有类型检查
基于文本替换原理，例如：#define SQUARE(x) ((x) * (x))，可以用于任何类型
而函数则需要明确返回值以及传参值：double SQUARE(int x , int x)，只能通过传特定类型的值才能使用。
- 宏可能增加代码体积，函数不会
前者本质是文本替换，如果多次使用宏函数，那么代码就会在预处理时进行多次替换。从而不可避免造成代码体积的增加。
后者则需要函数调用，不会使代码体积增加，但是效率却不如前者。
- 宏参数可能被多次求值，函数参数仅求值一次。
宏函数的缺陷
那么：库函数为何会容易出错呢：
- 宏函数无法进行调试
- 宏函数没有类型检查，容易发生类型不匹配错误
- 有些程序员对宏函数了解不深，容易写错宏函数
前两个是宏函数本身的缺陷，而第三个则是程序员的缺陷：
//各位可以尝试想一下一下库函数在执行后会有什么错误？#define MUL(int x, int y) { return x * y; }#define MUL(x, y) x * y#define MUL(x, y) (x * y)#define MUL(x, y) (x) * (y)#define MUL(x, y) ((x) * (y))接下来。彩妙会为大家逐一讲解：
这里为了方便让大家观看，使用vs2023：
宏函数本质上不是函数，所以不能写参数类型（int x）
#define MUL(int x, int y) { return x * y; }
宏函数本质上不是函数，所以不能写参数类型：有些小伙伴在定义宏函数时，错误的认为宏函数就是平常所看到的函数，所以出现了上述代码。
MUL（x , y ）: , x y) { return x * y };
我们发现：展开内容与我们所期望的严重不符，甚至编译器都无法编译过去。所以，按照函数定义来写宏函数是一个非常严重的错误。
宏函数在展开时运算错误问题
以下宏函数基本上犯的都是这个错误。但是，如果只是调用这个函数（例如：int x = MUL(2 , 3)），则问题不大，但是还是非常不推荐这么写
#define MUL(x, y) x * y#define MUL(x, y) (x * y)
#define MUL(x, y) (x) * (y)
#define MUL(x, y) x * y
当函数传值时，存在算术式传值，则会出现下面情况：
int result = MUL(3 + 2, 4); // 展开为：3 + 2 * 4 → 3 + 8 = 11（不是期望的 20）
int sum = 12 + 12&MUL(3 + 2 , 4); //展开为：12 + 12 & 3 + 2 * 4; 与预期不符#define MUL(x, y) （x * y）
同上，但是这么写则规避了第二个情况
#define MUL(x, y) (x) * (y)
同上，但是这么写则规避了第一个情况
所以，综上所述，最合适的情况则是：#define MUL(x, y) ((x) * (y))。
技巧：参数加括号，整体加括号，这能最大程度避免：
- 运算符优先级错误
- 表达式结合性问题
- 意外的宏展开行为
！！！但是：
如果传值存在自增或自减，则会有副作用的风险：
MUL(a++, b) → ((a++) * (b)) = 正确（但仍有副作用风险）⚠️即使写对了，
MUL(a++, b)仍会让a++被计算一次（因为只出现一次），但如果是MAX(a++, b++)这类宏，副作用问题依然存在。
C++中，内联函数inline替换宏函数
C++引入内联函数（inline）来安全地替代宏函数，既保留了宏的效率优势，又解决了宏的缺陷。
//inline函数定义// 声明（通常不写inline）
inline int add(int a, int b);// 定义（必须包含inline关键字）
inline int add(int a, int b) {return a + b;
}内联函数解决了宏函数大多出的缺点与问题：
- 无类型检查：宏在预处理阶段进行文本替换，没有类型安全检查
- 多次求值问题：参数可能被多次计算（如
MAX(++x, 10)） - 难以调试：预处理后的代码难以调试
- 无作用域：全局替换，易导致命名冲突
用
inline关键字声明，但编译器可能根据情况决定是否真正内联（如果内联函数是个递归函数或者函数体积过大，则会按照正常的函数进行常规的函数调用）。而在性能提升方面，内联函数采用了空间换时间的策略：采用文本替换的方式来避免函数调用的开销。这样做可以避免代码膨胀：
左侧是100条指令，如果每次调用都要展开（内联函数需要展开），则会有代码膨胀的风险：10000个位置调用，每次调用都要展开（加载进内存）100行，算下来（1w * 100）代码量就非常大；相比之下，如果不展开（即普通调用）则不会出现这种情况。但与之相对应的则是会出现函数调用，这样则会损失一些代码的效率。
但编译器在优化过程中，会有一条界限来区分这两个函数，以便达到代码效率最高化。
注意：内联函数不可以分开定义
内联函数必须在所有使用它的编译单元中都能看到定义，所以不能在头文件中声明，在源文件中定义。
// math.h
inline int add(int a, int b); // 声明// math.cpp
#include "math.h"
inline int add(int a, int b) { // 定义return a + b;
}//当其他源文件（如main.cpp）包含math.h时，它们只看到声明，看不到定义。
//编译器会尝试在main.cpp中内联add，但找不到函数体，导致链接错误。//正确做法//在头文件中直接定义// math.h
inline int add(int a, int b) {return a + b;
}//在类内部定义（但是，在类里面的函数默认是内联函数）
// math.h
class MathUtils {
public:int add(int a, int b) {return a + b;}
};为什么不能分开定义？
- 内联的本质：编译器需要在编译时将函数体直接插入调用点
- 编译单元：每个
.cpp文件是独立的编译单元- 内联要求：编译器必须在编译当前文件时能看到函数定义
- 分开定义：当编译
main.cpp时，看不到add的定义，无法内联
总结以及几个小知识
C++中内联函数（inline）是安全、类型安全、可维护地替代宏函数（#define）的最佳方式：
- 保留了宏的效率优势：消除函数调用开销
- 解决了宏的缺陷：类型安全、可调试、避免多次求值
- 符合C++语言特性：类型系统、作用域、OOP思想
在vs中，内联函数在debug模式下默认为普通函数（为了方便调试），但在release下则会正常替换。
内联函数与宏函数的核心区别
| 特性 | 内联函数 | 宏函数 |
|---|---|---|
| 处理阶段 | 编译阶段 | 预处理阶段 |
| 类型检查 | 有，严格类型检查 | 无 |
| 参数求值 | 每个参数只求值一次 | 可能多次求值 |
| 调试支持 | 有，可设置断点 | 无 |
| 作用域 | 有作用域，遵循C++规则 | 全局替换，无作用域 |
| 代码可读性 | 更好，符合函数语义 | 通常较差 |
| 能否访问类成员 | 可以 | 不能（无法处理this指针） |
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