【C++ 筆記】內嵌函數（inline function） - part 20

很感謝你點進來這篇文章。

你好，我並不是什麼 C++、程式語言的專家，所以本文若有些錯誤麻煩請各位鞭大力一點，我極需各位的指正及指導！！本系列文章的性質主要以詼諧的口吻，一派輕鬆的態度自學程式語言，如果你喜歡，麻煩留言說聲文章讚讚吧！

內嵌函數（inline function）

內嵌函數或稱內聯函數。

在 C++，內嵌函數（inline function）是一種特殊的函數。

此函數需要用關鍵字 inline 於欲使用之函數名前方，使 compiler 將函數呼叫替換為函數的本體代碼，而非如普通函數要透過函數呼叫機制（如：跳轉到函數地址並回傳）。

這種方式可減少函數呼叫的開銷（如：stack 的 push、pop 操作），從而提高程式執行效率。

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以下擷取至菜鳥教程的原理解釋：

C++ 內聯函數通常與類別一起使用。如果一個函數是內聯的，那麼在編譯時，編譯器會把函數的程式碼副本放置在每個呼叫該函數的地方。
對內聯函數進行任何修改，都需要重新編譯函數的所有客戶端，因為編譯器需要重新更換一次所有的程式碼，否則將繼續使用舊的函數。

https://www.runoob.com/cplusplus/cpp-inline-functions.html
:::

內嵌函數主要功能：優化小型、頻繁呼叫的函數。

以下是內嵌函數的語法：

1	inline return_type function_name(params)...

inline：關鍵字。

return_type：回傳型態。

function_name：函數名稱。

params：一個或以上的參數。

範例 1

#include <iostream>
using namespace std;

inline int add(int a, int b) { // 使用關鍵字 inline
    return a + b;
}

int main() {
    int x = 5, y = 10;
    cout << "Sum: " << add(x, y) << endl; // 編譯器可能將此替換為直接計算
    return 0;
}

輸出結果：

Sum: 15

搭配範例 1：細講內嵌函數的原理

首先我們必須釐清，當一個普通函數被呼叫時，會有怎樣的行為：

保存當前執行狀態（如：register）。
將參數 push to stack 中。
跳轉到函數的代碼位置。
執行函數。
回傳結果並恢復呼叫點的狀態。若為小型函數，呼叫的開銷可能比函數本身的執行時間大。

以下是我們用內嵌函數的運作原理（以範例 1 而言）：

首先，編譯器會試著在呼叫點直接插入函數的代碼：

1	int result = add(5, 10);

然後會被編譯器直接換成：

1	int result = 5 + 10;

具體圖示可如下所示（Image Source：https://www.geeksforgeeks.org/inline-functions-cpp/）：

內嵌函數的例外情況

Inlining is only a request to the compiler, not a command. The compiler may not perform inlining in such circumstances as:

Source：https://www.geeksforgeeks.org/inline-functions-cpp/

翻譯蒟蒻：inline 僅為對編譯器的「請求」，而不是一個指令。編譯器也許不會在以下這些情形執行 inline。

函數內部含有迴圈
函數內部含有 static 變數
遞迴函數
若函數回傳型態不是 void，並且函數體中不存在回傳語句。
函數內部含有 switch 或 goto 語法

:::info
Tip：當函數只有 10 行甚至更少時才將其定義為內嵌函數。
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內嵌函數的優缺點

優點（Advantages）：

函數的呼叫開銷不會發生。
可對函數主體進行優化。（具體事項如上的原理解釋）
內嵌函數對於嵌入式系統（embedded systems：如 Arduino）可能是有用的（如果函數本體很小），因為 inline 可回傳更少的代碼。

缺點（Disadvantages）：

用於變數的 register 數量可能會增加。
內嵌函數可能會導致 thrashing，inline 可能會增加二進位可執行檔的大小。
若有人改了內嵌函數的代碼，則所有呼叫位置都必須重新編譯，因為編譯器需要再次替換所有代碼。
內嵌函數對許多嵌入式系統可能不實用。因為在嵌入式系統中，程式碼大小比速度更重要（身為一個長期有在接觸 Arduino 的作者，我覺得這太他媽正確了）。

thrashing 可參見：https://en.wikipedia.org/wiki/Thrashing_(computer_science)

Source：https://www.geeksforgeeks.org/inline-functions-cpp/

範例 2：內嵌函數搭配 Class 使用

#include <iostream>
using namespace std;

class Rectangle {
private:
    int width, height;
public:
    Rectangle(int w, int h) : width(w), height(h) {}
    
    // 內嵌成員函數
    inline int area() const {
        return width * height;
    }
    
    // 外部定義的內嵌函數
    inline int perimeter() const;
};

inline int Rectangle::perimeter() const {
    return 2 * (width + height);
}

int main() {
    Rectangle rect(5, 3);
    cout << "Area: " << rect.area() << endl;
    cout << "Perimeter: " << rect.perimeter() << endl;
    return 0;
}