【C++】内联函数auto范围for循环nullptr

🏖️作者：@malloc不出对象
⛺专栏：C++的学习之路
👦个人简介：一名双非本科院校大二在读的科班编程菜鸟，努力编程只为赶上各位大佬的步伐🙈🙈

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前言

在C语言的预处理部分我就简单的提起过C++中的inline-内联函数，它很好的解决了C语言中使用函数以及宏的缺陷，极大的提高了效率节约了时间和空间的成本，我们将对内联函数进行讲解。另外我们还简单的提及到了C++11中的一些新语法特性。

一、内联函数

1.1 内联函数概念

概念：以inline修饰的函数叫做内联函数。内联函数在编译阶段展开，编译器将整个函数体代码嵌入到调用处，不产生函数跳转。没有函数调用建立栈帧的开销，显著的提升了程序运行的效率。

Q：为什么要使用内联函数？

我们知道对于一个函数来说一旦它被调用就会产生函数栈帧的开销，这样对于一个需要调用很多函数(代码量较小的函数)的工程来说无疑产生了极大的开销，整个程序运行的效率都会大大降低；那么使用宏函数其实主要就是为了解决函数调用的开销问题，但使用宏函数又非常容易出现一些问题，首先宏本身就是不安全的，因为它只是简单的做了一个文本替换并没有做类型的检查，一旦代码出现问题Debug也是无法快速定位问题的来源；其次宏函数用在表达式中也是一不小心就可能会出现运算错误等问题。因此，C++的祖师爷为了解决函数与宏的缺陷就提出了内联函数，它很好的解决了函数和宏的问题。C++推荐内联函数替换宏，const和enum替代宏常量。

1.2 内联函数的使用以及查看方式

我们先来看一个例子，通过vs下的反汇编来查看一下函数与内联函数有什么不同？

通过上图我们发现普通函数与内联函数在汇编下大致都是一样的，并且我们看到内联函数还是使用call指令调用了Add函数啊并且为Add函数创建了栈帧空间？？？这是为何？

我在之前就讲过内联函数在编译阶段展开在调用处，而我们的调试已经是在可执行程序阶段了，所以普通Debug模式下是不起作用的。

查看方式

• 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
• 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vs2019的设置方式。
  

在Debug模式下配置好之后我们调试进入反汇编看到的就是下面的汇编代码了，并且我们发现此时就已经没了call Add指令

1.3 内联函数特性

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、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：
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。

Q：为什么内联函数的代码过长时，内联函数不会展开呢？

假设内联函数的指令有 20 条，并且该函数被调用了 10000 次。如果内联函数展开了，那么将会有 20W 行指令；如果内联函数没有展开，那么只会有 10020行指令。这时候如果内联函数展开的话，就会极大的增大了我们的代码量，而代码量的多少会影响可执行程序的大小，也就是安装包的大小，所以内联函数的展开其实是不大现实的，编译器也不会允许你这种行为的，所以其实内联函数展开其实是一种理想的行为！！

1.3.1 内联函数不支持声明与定义分离

我们来看看多文件的一段代码

// test1.h
#pragma once
#include <iostream>inline int Add(int a, int b);// test1.cpp
inline int Add(int a, int b)
{return a + b;
}//main.cpp
#include "test1.h"int main()
{int ret = Add(10, 20);cout << ret << endl;return 0;
}

这段代码在链接过程出现了错误，编译器提示找不到Add这个符号。

Q：为什么内联函数的声明和定义分离时会出现链接错误呢？

链接过程主要做的是把多个目标文件(.obj文件)和动静态库进行链接，然后生成可执行程序.exe。在这个过程主要做的是合并段表以及符号表的合并和重定位。main.cpp包含了test1.h这个头文件，所以在main.cpp中是有Add函数的声明，我们只需要找到Add函数的地址即可。但在test1.cpp中函数加上inline修饰时，该函数的地址就不会被添加到符号表中，因此main.cpp中只有Add函数的声明，所以就找不到Add函数出现了链接错误。

结论：如果函数用 inline修饰，那么函数的地址就不会进入符号表。

二、auto关键字(C++11)

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。

我们可以看看下面这段代码：

#include <string>
#include <map>
int main()
{std::map<std::string, std::int> m{ { "张三", 23 }, { "王五", 46 }, {"李四", 66} };std::map<std::string, std::int>::iterator it = m.begin();  //迭代器while (it != m.end()) {//....}return 0;
}

std::map<std::string, std::int>::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：typedef std::map<std::string, std::int> Map;。

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef有时会遇到难以理解非常困难的情况，因此C++11给auto赋予了新的含义：它能够自动推导变量的类型。

我们可以看看使用auto后简化的代码：

#include <string>
#include <map>int main()
{std::map<std::string, std::int> m{ { "张三", 23 }, { "王五", 46 }, {"李四", 66} };auto it = m.begin();while (it != m.end()){//....}return 0;
}

这样的代码是不是看起来更加的清爽且方便呢！！

2.1 auto简介

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它。
在C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

下面我们来看看实例：

#include <iostream>
using namespace std;int TestAuto()
{return 10;
}int main()
{int a = 10;auto b = a;auto c = 'a';auto d = TestAuto();cout << typeid(b).name() << endl;cout << typeid(c).name() << endl;cout << typeid(d).name() << endl;//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;
}

注意：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”，编译器在编译时会将auto替换为变量实际的类型。(typeid().name能将变量的类型转换成字符串)

2.2 auto的使用细则

1. auto与指针和引用结合起来使用

auto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&。

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int x = 10;auto a = &x;auto* b = &x;auto& c = x;cout << typeid(a).name() << endl;cout << typeid(b).name() << endl;cout << typeid(c).name() << endl;*a = 20;*b = 30;c = 40;return 0;
}

2. 在同一行定义多个变量

当在同一行定义多个变量时，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
}

2.3 auto不能推导的场景

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. 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。
4. auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

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三、基于范围的for循环(C++11)

3.1 范围for的语法

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 };int sz = sizeof(array) / sizeof(array[0]);for (int i = 0; i < sz; ++i)array[i] *= 2;for (int* p = array; p < array + sz; ++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.

下面看看使用范围for循环的代码：

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

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。

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3.2 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。

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，我们这里简单提一下)

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四、指针空值nullptr(C++11)

4.1 C++98中的指针空值

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

void TestPtr()
{int* p1 = NULL;int* p2 = 0;// ……
}

NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
#endif

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：

void f(int)
{cout<<"f(int)"<<endl;
}void f(int*)
{cout<<"f(int*)"<<endl;
}int main()
{f(0);f(NULL);f((int*)NULL);return 0;
}

程序本意是想通过func(NULL)调用指针版本的func(int*)函数，但是由于NULL被定义成 0，因此与程序的初衷相悖。

在C++98中，字面常量 0 既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void*)0。

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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本篇文章的内容就到这里了，如果有任何疑问或者错处欢迎大家在评论区相互交流orz~🙈🙈