C++学习笔记——函数探幽

C++内联函数

　　内联函数是一种用空间换时间的技术，是C++提高程序运行速度做的改进。运行程序时操作系统将指令载入计算机内存中，并逐条执行这些指令，遇到循环或分支时向前或向后跳转到特定的地址（每条指令都有特定的内存地址）。常规函数也是如此，在调用常规函数时立即存储该指令的地址，并跳转到函数的地址，在函数执行结束后返回到跳转之前的地址继续往下执行。来回的跳跃并记录跳跃位置需要花费一定的开销。

　　与常规函数不同，如果使用内联函数，编译器会使用相应的函数代码替换函数调用，此时程序无需跳到另一个位置执行代码，再跳回来。因此内联函数运行速度比常规函数快。但相应的需要占用更多的内存，所以内联函数适合代码量较小的函数，且不能是递归函数。

1 inline double square(double x) { return x * x; }

　　inlien是C++新增的特性，C使用预处理语句#difine来提供宏，以此来达到内联函数的功能。但是宏是单纯的文本替换，不能按值传递。

引用变量

　　引用变量是C++新增的一种复合类型。引用变量的主要作用是作为函数的形参，此时函数将使用原始数据，而不是副本。提高函数处理大型数据结构的效率（常用于结构、类）。引用和指针很像，表达式 b 和 *p 都可以与 a 互换， &b 和 p 可以和 &a 互换。但在声明引用时必须初始化，指针可以先声明，后赋值。

1 int a = 10;
2 int& b = a;   //声明int类型引用，并将b作为a的别名, int* const b = &a;
3 int* p = &a;

　　使用引用作为函数参数时，函数参数中的变量名成为调用程序中的变量别名。按引用传递可以让被调用函数直接访问调用函数中的原始数据，而不是其副本。函数调用使用实参初始化形参。如果想使用引用参数而又不想对原始数据造成影响，则使用常量引用。

1 double refcube(const double& x);

　　如果传递的实参与形参类型不匹配，但是可以转换为正确的类型，或者实参的类型正确，但不是左值。C++将生成临时变量（前提形参为const引用），将实参的值传递给临时变量，并将const引用指向临时变量。且临时变量只在该函数调用期间存在。因为如果是使用参数const引用的函数，表明该函数不对原始数据进行修改，而是使用，此时生成临时变量不会造成不利的影响。

　　传统的返回机制与按值传递参数类似，计算 return 后面表达式的值，概念上来说，这个值被复制到一个临时位置，然后调用程序使用这个值（编译器可能会优化）。返回引用时直接复制，效率更高。同时要避免返回临时变量的引用，简单的做法是返回作为参数传递给函数的引用。或者使用 new 来分配新的存储空间。

　　将返回类型声明为 const 引用可以避免将函数调用作为左值。

　　当引用的对象是类，且该类的派生类采用公有继承时，基类的引用可以指向基类或派生类对象（指针同理）。如果数据对象时数组，则使用指针是唯一的选择

默认参数

　　通过函数原型设置函数参数默认值，同时必须从右向左提供默认值，中间不能跳过任何参数。

1 char* left(const char* str, int n = 1);

函数重载

　　默认参数使得可以使用不同数目的参数调用同一个函数，函数重载允许使用多个同名的函数——完成相同工作，但使用不同的参数列表。通过上下文确定要使用的函数重载版本。要定义多个同名的函数，它们的特征标（参数数目、参数类型）必须不同，变量名无关紧要。

　　如果传递的参数列表不匹配任何函数原型，C++将尝试使用标准类型转换强制进行匹配，此时若有多个函数原型可以转换匹配，C++将拒绝这中函数调用，并将其视为错误。同时，C++将类型和类型引用视为同一个特征标。匹配函数时，不区分const和非const变量。

1 double cube(double x);
2 double cube(double& x);
3 
4 count << cube(x); //同时匹配 double x 原型和 double& x 原型

 　　C++如何跟踪每个重载函数呢？C++对函数的编码方式不同，C++编译器把函数原型中的形参对函数名进行修饰，以此来区别函数名相同的函数。修饰时使用的约定根据编译器而异。

函数模板

　　使用泛型来定义函数，泛型可用具体的类型替换，将类型作为参数传递给模板，编译器根据模板和传递的参数生成相关的函数定义。注意函数模板不是函数。

　　template告诉编译器要定义一个模板，后面跟着一对尖括号代表模板参数列表，typename（或class）指出 T 是一个接收类型的类型参数，这里的 T 起着占位符的作用，如果传给 T 的类型为 int， 则所有 T 替换为 int。模板不创建任何函数，只是告诉编译器如何定义函数。

　　在第 11 行代码中，编译器会检查使用的参数类型，并生成相应的函数，此处生成 int 版本的Swap函数。注意函数模板不能缩短可执行程序，而且模板的定义放在头文件中。

 1 template <typename T>
 2 void Swap(T& a, T& b) {
 3     T temp;
 4     temp = a;
 5     a = b;
 6     b = temp;
 7 }
 8 
 9 
10 int i = 10, j = 20;
11 Swap(i, j);

　　当然模板也支持重载，模板参数列表中也并非必须为类型参数，如下面第四个模板声明。

 1 template <class T>
 2 void Swap(T& a, T& b);
 3 
 4 template <class T>
 5 void Swap(T& a, T& b, T& c);
 6 
 7 template <typename T>
 8 void Swap(T* a, T* b);
 9 
10 template <typename T>
11 void Swap(T a[], T b[], int n);

 　　模板也有一些局限性，可能无法处理某些类型。如果 T 为数组，则下面模板中的赋值、if条件语句、T c = a*b语句都不成立。解决的一种办法是为特定类型提供具体化的模板定义。

1 template<typename T>
2 void func(T a, T b) {
3     a = b;
4     if (a > b) {
5         ...
6     }
7 
8     T c = a * b;
9 }

　　提供具体化模板函数的定义称为显示具体化。对于给定的函数名，可以有非模板函数、模板函数和具体化模板函数以及函数的重载版本。显示具体化模板函数的原型和定义以 template<> 开头，通过名称指出类型。下面分别为非模板函数、模板函数、具体化模板函数，编译器在选择原型时，优先级为：非模板函数 > 显示具体化模板函数 > 模板函数

 1 struct job {
 2     char name[40];
 3     double salary;
 4     int floor;
 5 };
 6 
 7 void Swap(job a, job b);
 8 
 9 template<typename T>
10 void Swap(T&, T&);
11 
12 template<> void Swap<job>(job&, job&); //Swap<job>(job&, job&)中的<job> 可选，因为函数的参数类型已经表明这是 job 的一个具体化

 　　代码中包含模板本身不会生成函数定义，编译器使用模板为特定类型生成函数定义时，得到模板实例。模板不是函数定义，但是使用 int的模板实例是函数定义（隐式实例化）。显式具体化和显式实例化的区别在于，显式具体化声明在template后包含<>， 而显式实例化没有。可以在文件中使用函数来创建显式实例化，如 std::cout << Swap<double>(a, b) << std::endl; 。在同一个文件中，同一类型显式实例化和显示具体化不能同时存在。

　　对于函数重载、函数模板和函数模板重载，C++通过重载解析来确定为函数调用哪个定义。首先，编译器创建候选函数列表，从候选函数列表创建可行的函数列表，再从可行的函数列表中选择最佳的可行函数。最佳到最差的顺序：完全匹配 > 提升转化 > 标准转化 > 用户自定义转化。如果有多个匹配的原型，则编译器可能无法完成重载解析的过程。但有时候，即使两个函数都完全匹配，仍然可以完成重载解析，比如 const 和 非const 之间的区别（只适用于指针和引用指向的数据，如下所示）。

1 void func(int);
2 void func(const int);  //编译器报错，出现二义性错误
3 
4 void func(int&);
5 void func(const int&); //const 和 非const的区别只适用于指针和引用

　　术语“最具体”并不一定意味着显示具体化，而是指编译器推断使用哪种类型时，执行的转换最少。

1 template<class T> void recycle(T t);  #1
2 template<class T> void recycle(T* t); #2
3 
4 recycle(&link); //recycle(&link)调用会和 #2 模板匹配，因为在生成过程中，它需要进行的转换更少

　　在使用模板时，可能会出现变量的类型不确定的情况。C++11新增关键字decltype可以解决这种情况。

 1 template<class T1, class T2>
 2 void ft(T1 x, T2 y) {
 3     ...
 4     ?xpy? = x + y; //变量xpy的类型是？ 解决办法是使用C++11新增的关键字decltype
 5     //decltype(x + y) xpy = x + y;
 6     ...
 7 }

　　decltype的处理实际上更复杂一些。

 1     /*
 2         decltype(expression) var;
 3     */
 4     
 5     //如果exression是一个没有用括号括起的标识符。
 6     double x = 5.5;
 7     double y = 7.9;
 8     double& rx = x;
 9     const double* pd;
10       
11     decltype(x) w;              // w的类型为double
12     decltype(rx) u = y;         // u的类型为double&
13     decltype(pd) v;             // v的类型为const double*
14 
15     //如果expression是一个函数调用
16     long indeed(int);           //声明indeed函数
17     decltype(indeed(3)) m;      //m的类型为indeed函数的返回类型(long),实际上编译器不会调用函数,只是会查看函数的原型
18 
19     //如果expression是用括号括起的标识符且是一个左值,则var为指向其类型的引用
20     double xx = 4.4;
21     decltype ((xx)) r2 = xx;   //r2的类型为double&
22     decltype (xx) w = xx;      //w的类型为double
23 
24     //如果前面的条件都不满足,var的类型与expression的类型相同
25     int j = 3;
26     int& k = j;
27     int& n = j;
28     decltype(j + 6) i1;            //i1的类型为int
29     decltype(100L)  i2;            //i2的类型为long
30     decltype(k + n) i3;            //i3的类型为int, k和n虽然为引用,但是表达式 k+n 是两个int类型的和

　　解决了函数模板中函数体的变量类型问题后，还有函数模板返回类型的问题。如下所示，无法直接使用 decltype(x + y)，因为此时还未声明参数x和y，必须在声明参数x,y后才能使用decltype。

1 template<class T1, class T2>
2 ?type? func(T1 x, T2 y) {   //函数的返回类型是?
3     return x + y;
4 }

　　解决方法是使用后置返回类型。此时decltyep在参数声明后面，x和y位于作用域内，可以使用它们。

1 double h(int x, int y);
2 auto h(int x, int y) -> double; //后置返回类型,auto是一个占位符
3 
4 template<class T>
5 auto func(T x, T y) -> decltype(x + y) {
6     return x + y;
7 }