【c++之于c的优化 - 下】

前言

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一、inline

概念

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。

如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的 调用。 查看方式：

1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
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)

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，
2. 缺陷：可能会使目标文件变大，
3. 优势：少了调用开销，提高程序运 行效率。
4. 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：
   
5. 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

分析：由于函数f(int) 被声明为 inline类型，在编译阶段会对它进行展开，而且不会被加入符号表，但是由于 文件main.cpp
包含的 F.h头文件 中只有声明没有定义，因此展开的只有声明，所以在链接时会出错。 解决方法：内联函数，声明和定义都写到 .h文件中。

使用inline的原由

使用inline是为了替代C语言中的宏函数。
宏的优点：

1. 短小代码直接替换，不需要进行函数调用，速度更快；（提高性能）
2. 没有类型限制；（提高代码复用性）

宏的缺点：

1. 无法进行调试；
2. 没有类型安全的检查；
3. 会大大增加源代码长度。
4. 导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。

宏定义的内容会在预处理阶段进行替换，因此在调试时是找不到的。
因此我们在日常练习的时候可以减少对宏的使用
当然，宏也有其不可替代的功能：传递变量类型
eg：计算结构体成员偏移量的宏：offsetof
#define MY_offsetof(s, m) (size_t)&(((s*)0)->m)

#define MY_offsetof(s, m) (size_t)&(((s*)0)->m) class Person
{
public:char name[22];int age;
};void Test03()
{cout << offsetof(Person, Person::age) << endl;cout <<MY_offsetof(Person, Person::age) << endl;
}

结果：

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二、auto（c++11）

引入

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，主要表现在两个方面：

1. 类型难以拼写；
2. 含义不明确导致出错。

示例（这里以实际开发情况为例）：

#include<map>
#include<string>void Test01()
{std::map<std::string, std::string> m = { {"宁姚", "剑气长城"} , {"裴钱","莲藕福地"} };std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();while (it != m.end()){std::cout << it->first << ' ' << it->second << std::endl;++it;}
}

std::map<std::string, std::string>::iterator这一长串字符就是 it 的类型名，可见是比较复杂的， 这里我们有一种比较简单的方法是使用 typedef

typedef std::map<std::string, std::string>::iterator MAP;
不过这样仍然需要再写一遍类型名，还是会有出错的情况； 而且，typedef在设计时是有些“小问题的”，使用起来会让人难以理解，比如：

void Test02()
{typedef int* T;const T val1;
}
// 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

使用

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，大家可思考下为什么？
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。

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;
}

auto类型的变量必须初始化，因为编译器在编译阶段需要通过初始化数据来推导变量的类型；
因此auto并不是类型，而是类型占位符，在编译阶段会被替换为变量的实际类型。

注意事项

1. auto与指针和引用联用；

void TestAuto()
{auto val = 10;auto p1 = &val;  //  设置指针时加不加 *号都一样，加上后可以当做提醒auto* p2 = &val;auto& b = val;  // 设置引用时必须写明 &符号cout << typeid(val).name() << endl;cout << typeid(p1).name() << endl;cout << typeid(p2).name() << endl;cout << typeid(b).name() << endl;
}

2. 使用auto在同一行声明多个变量时，每个变量必须是同一类型；
   因为编译器实际上只对第一个变量进行推导，然后用推导出来的类型初始化其余变量。

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
}

3. 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)
{}

4. auto不能声明数组；

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

5. 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；
6. 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、范围for循环（c++11）

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 };
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)  // 朋友们可以思考为何此处需要加 引用e *= 2;
for(auto e : array)cout << e << " ";
return 0;
}

注意：与不同for循环类似，可以使用continue结束本次循环，也可以使用break跳出整个循环。

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[])  // 数组名作为参数传递时只传首地址。
{for(auto& e : array) cout<< e <<endl;
}

2. 迭代的对象要实现++和==的操作。

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四、指针空值nullptr（c++11）

引入

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实际上是一个宏，在头文件<stddef.h>中有如此定义：

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f(NULL)调用指针版本的f(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。

注意事项

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。

void f(int)
{cout << "f(int)" << endl;
}void f(int*)
{cout << "f(int*)" << endl;
}void Test04()
{f(NULL);f(nullptr);cout << "sizeof(int) = " << sizeof(int) << endl;cout << "sizeof(NULL) = " << sizeof(NULL) << endl;cout << "sizeof(void*) = " << sizeof(void*) << endl;cout << "sizeof(nullptr) = " << sizeof(nullptr) << endl;
}

补充：此处为何不就NULL的宏定义进行修改，而从新引入一个新的关键字：nullptr？
因为语言是不断发展的，在发展过程中会有数以万计的程序员写下以亿为单位的代码，说不得就有程序员就是想要NULL代表0，
因此语言在发展过程中即便之前的内容有问题，也不会修改原本的内容，而是再创造出一种新的语法。