【C++】内联函数auto关键字基于范围的for循环指针空值nullptr

​🌠 作者：@阿亮joy.
🎆专栏：《吃透西嘎嘎》
🎇 座右铭：每个优秀的人都有一段沉默的时光，那段时光是付出了很多努力却得不到结果的日子，我们把它叫做扎根
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目录

👉内联函数👈

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。

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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。

如果有一个被频繁调用的小函数，每次调用都需要建立栈帧，开销就会比较大。所以可以在函数前面加上 inline 关键字将其改成内联函数。如果是C语言的话，我们可以将这个小函数改成宏来优化，减少建立栈帧的消耗。那为什么编译宏呢？因为宏不能调试，没有类型安全检查且容易写错。

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，一下为 vs2013 的设置方式）

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设置好后，我们再来看一下其对应的汇编代码。我们就可以发现内联函数确实不会建立函数栈帧。如下图：

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特性

  • inline 是一种以空间（编译出来可执行程序的大小）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。
  • 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：

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  • 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。

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 30 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 30W 行指令；如果内联函数没有展开，那么将会有 10030 行指令。这时候，如果内联函数展开的话，就会导致代码膨胀的问题。指令的多少会影响可执行程序的大小，也就是安装包的大小。

inline 不支持声明和定义分类

// Test.h
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;

inline int fun();

// Test.cpp
#include "Test.h"

inline int fun()
{
	int a = 10 + 20;
	return a;
}

// main.cpp
#include "Test.h"

int main()
{
	int ret = fun();
	cout << ret << endl;
}

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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（.o文件）和链接库进行链接，然后生成可执行程序a.out。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。如果函数加上inline 修饰时，那么该函数的地址就不会被添加到符号表中。如果我在main.cpp文件中调用了fun函数，且main.cpp文件只有fun函数的声明，没有fun函数的定义，也就是没有fun函数的地址。那么就要在链接的合并符号表时找出fun函数的地址，但是fun函数被 inline 修饰了，其地址没有添加到符号表中。所以就找不到fun函数的地址，就出现了链接错误。所以，内联函数的声明和定义不能够分离。

注意：如果函数用 inline 修饰，那么函数的地址就不会进符号表，不管函数的代码是否过长。

👉auto关键字(C++11)👈

类型别名

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。

比如：下面的代码中it的类型名是不是非常地长，写起来容易出错。

#include <string>
#include <map>
int main()
{
	std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange",
	"橙子" },
	{"pear","梨"} };
	std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//....
	}
	return 0;
}

那么 C++11的标准就阴影里一个小语法，就auto关键字能够自动推导变量的类型。见下方的代码：

#include <string>
#include <map>
int main()
{
	std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange",
	"橙子" },
	{"pear","梨"} };
	auto it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//....
	}
	return 0;
}

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关键字赋予了新的含义。

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。

#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;
}

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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。

注：typeid().name能将变量的类型转换成字符串。

auto的使用细则

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;
}

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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
}

auto不能推导的场景

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)
{
	//...//
}

auto不能直接用来定义数组

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

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  • 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。
  • 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。

👉基于范围的for循环(C++11)👈

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 };
	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。

依次取arr中数据赋值给e，自动判断结束，自动迭代

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	for (auto& e : arr)
	{
		e *= 2;
	}
	for (auto e : arr)
	{
		cout << e << " ";
	}

	return 0;
}

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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。
  • auto& e改成auto e 就无法修改数组中的元素了，因为auto e只是数组元素的拷贝。
  • 第二个for循环的auto e可以改成int e，相当于不用auto关键字来自动推导变量的类型。

范围for的使用条件

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 arr[])
{
	for (auto e : arr)
	{
		cout << e << endl;
	}
}

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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，现在提一下，没办法讲清楚，现在大家了解一下就可以了)

👉指针空值nullptr(C++11)👈

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：

#include <iostream>
using namespace std;

void func(int)
{
	cout << "func(int)" << endl;
}

void func(int*)
{
	cout << "func(int*)" << endl;
}

int main()
{
	func(0);
	func(NULL);
	func((int*)NULL);

	return 0;
}

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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。

为了修复这个BUG，C++11引入了新的关键字nullptr，在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件。

在C++11中，sizeof(nullptr)与sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

. 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。

👉总结👈

本篇博客主要向大家介绍了内联函数、auto关键字、基于范围的for循环以及指针空值nullptr。以上就是本篇博客的全部内容了，如果大家觉得有收获的话，可以点个三连支持一下！谢谢大家！💖💝❣️


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