inline 函数

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我们在 OOP 一节中，讨论封装时介绍了 getters 和 setters：

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struct User {
private:
    int id, age;
    char* password;
public:
    bool checkPassword(char* pw); // check if pw == password
    void setAge(int v) {
        if (v >= 0)
            age = v;
    }
    int getAge() { return age; }
    // ...
};

但是，众所周知，函数调用是有开销的，函数开销主要用来传递参数和获取返回值，需要时还要保存寄存器的值。看下面的例子：

可以看到，虽然 int foo(int x) { return add5(x); } 和 int foo(int x) { return x + 5; } 是等效的；但是由于函数调用的存在，其效率是慢的。那么，getAge() 作为一个函数，是否也有这种代价呢？

C++ 的设计哲学决定了：不应当因为封装性而带来额外的性能开销。如果 getters 和 setters 的调用也需要额外开销的话，追求效率的程序员就会选择不使用封装。因此这个问题如何解决呢？早在 C with Classes 设计之初，这个问题就通过 内联替换 (inline substitution)dcl.inline#2 被解决了。

内联替换有点类似于 function-like macroscpp.replace.general#2，即在函数调用的地方将函数体展开，而不经过函数调用的步骤。作为一个例子，在选择 -O1 优化的情况下，上面的代码会变成这样：

可以明显看到，foo() 的计算过程中不再有函数调用出现了。

再举一个例子，如果有这样的代码：

void swap(int *a, int *b) {
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

void foo() {
    // ...
    swap(a, b);
    // ...
    swap(x, y);
    // ...
}

如果 swap 函数被内联，那么程序可能会等价于：

void foo() {
    // ...
    int tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
    // ...
    tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
    // ...
}

有了内联替换，getter 和 setter 就不再有额外的开销了：

Note

内联函数是 C++ 和 C 共同发展的一个例子。在 C89 中并没有内联函数，而 C99 和 C++ 中都有内联函数。

C++17 开始，inline 还被用于变量。我们会在（也许）不远的将来讨论这个话题。

那么，什么样的函数会被内联呢？在 C with Classes 中，只有那些函数体写在类的定义中的成员函数才会被内联。当然，并非所有这样的函数都会被内联，比如如果某个函数是递归的，那么这个函数很可能就没办法被内联。（当然，如果编译器想的话，可以通过递归展开实现内联。）

而在后来的 C++ 中，inline 关键字被引入；它用在函数声明中，例如 inline int foo(int x) { return add5(x); }。它向编译器表明一个建议：这里应该优先考虑使用内联替换而非通常的函数调用。函数体写在类的定义中的成员函数也会默认有此建议。（但是编译器通常忽略这种建议，而自己选择是否需要内联。例如前面图中 add5 那个函数，虽然我们没有写 inline，但是编译器仍然决定将它内联。）

显然，内联也是有代价的。如上面的例子所示，内联会在 每处 调用被展开，因此如果被内联的函数非常大，则会导致生成的目标代码很大，这会带来内存紧张或者局部性问题；这也可能会对性能产生一定影响。

内联函数是 C 语言中 function-like macros 的一个好的替换。BS 说，C++ 希望「允许用语言本身表达所有重要的东西，而不是在注释里或者通过宏这类黑客手段」。宏是预处理器负责的事情，而非编译器。因此 function-like macros 的重大问题之一是缺乏类型检查，另外会因为括号之类的问题引发困扰。用内联的函数替代 function-like macros 也能够有作用域和访问控制，而这些如果使用宏则需要手动控制甚至没办法实现。

Info

内联函数还有相关的很多问题。例如，假如在整个程序中的不同编译单元里，同一个内联函数有不同定义会发生什么事。由于 C++ 允许分别编译，这样的检查是极端困难的。因此，标准规定这种情况是 undefined behaviorstd_citation_needed。我们会在未来聊 undefined behavior 相关的问题。

这个回答 指出：Don't add inline just because you think your code will run faster if the compiler inlines it. ... Generally, the compiler will be able to do this better than you.

因此，实际上在现在的 C++ 中，inline 比「让一个函数被内联」更重要的作用在于，帮助实现 header-only 的库。

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