C++中inline关键字的作用

凌云写意
198 阅读5分钟

疑问

  • inline关键字的作用是什么，大多数人的回答肯定是内联优化。以下是一个大模型的回答。
  • 下面是来自cppreference的回答：

inline关键词的本意是作为给优化器的指示器，以指示优先采用函数的内联替换，而非进行函数调用，即并不执行将控制转移到函数体内的函数调用 CPU 指令，而是代之以执行函数体的一份副本而无需生成调用。这会避免函数调用的开销（传递实参及返回结果），但它可能导致更大的可执行文件，因为函数体必须被复制多次。

因为内联替换在标准语义中不可观察，编译器拥有对任何未标记为 inline 的函数使用内联替换的自由，和对任何标记为 inline 的函数生成函数调用的自由。这些优化选择不改变上述关于多个定义和共享静态变量的规则。

现代C++中，inline已经没有内联优化的含义了。

实验

上面说了内联不是强制性的，如果函数体很大，编译器可能不会内联，那么函数体不大，内联的开销很低，inline就能使得编译器内联吗？我们直接看例子：

image.png

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这里做了4组实验，围绕是否有inline修饰，是否开优化等级。可以看到，函数是否内联和inline没有关系，仅仅取决于是否开了优化等级，仅仅-O1的优化，简单函数就能达到内联的效果。所以无需担心自己的代码是否需要inline修饰来优化，真正担心的话就让编译器自己优化进行了。上面是使用C++11进行测试，事实上在现代C++中，inline早就没有了内联优化的作用。inline的真正作用是使得符号可以违反单一定义原则（One Definition Rule, ODR）。ODR是C++语言中的一个基本规则，它规定在程序的非模板函数、变量（不包括文件作用域的静态变量）、类类型（包括静态数据成员）、枚举类型等必须有单一的定义。

分析

在解释inline关键字之前，先从extern关键字说起，在main.cpp中如果想用到其他cpp文件中定义的变量或函数，那么需要extern关键字进行声明。

// other.cpp
int num = 5;

void twice(int i) {
    std::cout << i * 2;
}

// main.cpp
extern int num;
extern void twice(int i);

int main() {
    twice(num);
}

当然twice前面的extern可以省略，因为函数是默认具有extern属性的。如果在main.cpp中去掉num前面的extern关键字，那么编译就会报重复定义num的错误。

然后是static关键字。static除了在类中定义静态变量、静态函数，当static用于修饰一个全局函数或变量时，它的作用是限制该函数或变量的链接属性，使其只在定义它的翻译单元（translation unit）中可见。这通常被称为内部链接（internal linkage）。

// other.h
#pragma once
static void twice(int i) {
    std::cout << i * 2;
}

// other.cpp
#include "other.h"
void func() {
    std::cout << "other.cpp/twice() : " << (void*)&twice << '\n';
}


// main.cpp
#include "other.h"
extern void func();

int main() {
    std::cout << "main.cpp/twice() : " << (void*)&twice << '\n';
    func();
    return 0;
}

/* @result
 * main.cpp/twice() : 0x7ff7252215e0
 * other.cpp/twice() : 0x7ff725221660
*/

可以看到，它们打印出来的twice函数的地址是不相同的。每个.cpp文件都会有一个独立的static属性函数实例，它们的地址是不同的。

如果将twice函数定义放在other.cpp中，仅在ohter.h中保留函数声明，那么main函数访问twice函数会报错，因为这是 undefined reference to twice(int)错误。

这里的static关键字是必要的，如果去掉twice的static修饰，那么编译会报错，因为#include只是将内容拷贝到当前cpp文件，这样一来other.cpp和main.cpp都会有twice的定义，违反了单一定义原则。

接下来，可以继续说inline关键字了。inline关键字，使得可以符号可以违反ODR原则，即可以重复定义，但需要保证这多个定义在文本上是相同的，否则是未定义行为。 让我们修改上面的代码：

// other.h
#pragma once
inline void twice(int i) {
    std::cout << i * 2;
}

// other.cpp
#include "other.h"
void func() {
    std::cout << "other.cpp/twice() : " << (void*)&twice << '\n';
}


// main.cpp
#include "other.h"
extern void func();

int main() {
    std::cout << "main.cpp/twice() : " << (void*)&twice << '\n';
    func();
    return 0;
}

/* @result
 * main.cpp/twice() : 0x7ff7ca8b2ed0
 * other.cpp/twice() : 0x7ff7ca8b2ed0
*/

将static换成inline，可以看到函数的地址相同了，因为这两个函数的定义相同，可以随机选择一个进行链接，得到的当然也就是相同的地址。

总结

  • 内联函数或变量(C++17 起)在程序中可以有多于一次定义，只要每个定义都出现在不同翻译单元中（对于非静态的内联函数和变量(C++17 起)）且所有定义等同即可。例如，内联函数或内联变量(C++17 起)可以在被多个源文件包含的头文件中定义。
  • 它必须在每个翻译单元中都被声明为 inline。
  • 它在每个翻译单元中都拥有相同的地址。
  • 在C++中，如果一个成员函数在类定义内部定义，它默认就是 inline 的。

用法

在你的项目中，或许有一个common.h包含了项目中普遍需要的一些头文件或者宏定义、类型声明等。使用inline关联字，可以在单头文件中定义函数，使得在被多个.cpp文件包含时，编译不会报重定义错误。inline也可以用于修饰变量，这样就不需要在头文件使用extern声明外部变量，在common.cpp文件定义了，直接使用inline关键字定义在头文件中即可。inline非常适用于开发使用单头文件的cpp库，或者在自己的项目里少写一个common.cpp文件。

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