內聯函數與宏定義函數的異同

面試時被問到了這個問題，當時突然懵了，所以來整理一下。如有疏漏，還望指摘。
（結論在最後，懶得看的同學可以直接翻到總結）

內聯函數與宏定義的函數很相似，都是在運行前，先將一些簡短的函數，直接替換爲實現代碼，以此來省去函數調用時，參數入棧、程序跳轉等的時間開支。C++引入了內聯機制作爲宏函數的改進與補充，但並不是替代，說明他們有很多相似的地方，但也有很多不同的性質。

宏定義的函數：

使用宏定義#define定義的函數。其在預編譯階段就被進行簡單的替換，因爲只是簡單的替換，所以無需定義參數和返回值的類型，也不會對參數進行臨時拷貝以及析構。如下宏定義函數：

    #define ADD(a, b) a+b
    void main(){
        int x=1, y=2, z;
        z = ADD(x,y);
    }

這段代碼就會被替換爲如下代碼：

    void main(){
        int x=1, y=2, z;
        z = x+y;
    }

宏定義函數使用時值得注意以下三點：

• 首先，宏定義函數不會進行類型檢查，它不會檢查傳入的參數類型是否正確，傳出的參數類型是否正確，因爲在定義時，就不需要規定這些。

• 其次，因爲只是進行簡單的替換，所以如果不注意的話，執行順序可能會和預想的不一樣。比如還是上面的宏定義函數，如果我想計算

  z=3 * ADD(x,y);
  

  就會被替換爲

  z = 3 * x + y;
  

  這樣在執行時，其實會先計算3*x，在計算+y，而與我們預想的邏輯不同。

• 最後，因爲不會製作傳入參數的臨時拷貝，而只是進行簡單的替換，所以如果傳入的參數是一個表達式（如x++），或者是一個函數（func()）的話，這個表達式或者函數可能會被多次執行。如下：

  #define MUL2(a) a+a
  void main(){
      int x=1, y;
      y = MUL2(x++);
  }
  

  這段代碼在執行時就會被替換爲：

  void main(){
      int x=1, y;
      y = x++ + x++;
  }
  

  其中x++就會被多次執行。

內聯函數：

使用關鍵詞inline修飾的函數爲內聯函數。內聯函數是指在編譯階段，編譯器將內聯函數展開，替換爲等效的實現代碼，而不是進行函數調用。內聯函數在使用上，在程序員看來，和一般函數無二，需要定義入參類型，返回值類型等，執行完畢會對函數內部的臨時變量進行析構等。如下內聯函數：

    inline int addint(int a, int b){
        return a+b;
    }
    void main(){
        int x = 1, y = 2, z;
        z = addint(x ,y);
    }

這段代碼，在編譯時就會被替換下面這樣（這裏只是做一個簡單的示意，實際替換應該會更復雜）：

    void main(){
        int x = 1, y = 2, z;
        {
            int _a = x;	//製作傳入參數的臨時拷貝
            int _b = y;
            int temp；	//製作傳出參數的臨時拷貝
            temp = _a + _b;	//函數體
            z = temp;	//傳出返回值
        }//代碼塊結束，析構一些臨時變量
    }

編譯器將函數替換爲實現代碼，並加入一些處理，使得其執行起來在程序員看來，與一般函數無二。
內聯函數在使用時需要注意幾點：

• 首先，類內定義的函數，會被默認爲內聯函數。
• 其次，即使定義了內聯函數，編譯器也會進行檢查，如果函數太複雜，也不會進行替換（也可以使用某些關鍵字進行強制替換，但是性能可能會得不償失）。
• 再有，內聯函數關鍵字和函數聲明寫在一起是無效的，必須與函數的定義寫在一起才能生效。
• 最後，如果內聯函數需要在其他源文件中進行調用，那麼內聯函數的定義必須寫在頭文件中，寫在源文件中會造成編譯出錯。
• 最後的最後，在多個源文件中可以定義相同的內聯函數，但是在一個源文件中，只能有一個定義相同的內聯函數。

總結

從上面的介紹，我們可以看出以下幾個相同點和不同點。

相同點：

• 目的都是代碼的替換（雖然內聯函數不一定會被替換），以此省去函數調用的消耗。
• 代碼的邏輯都應該是簡短的。
• 如果被多個文件調用，那麼宏函數和內聯函數都應寫在頭文件中。

不同點：

• 內聯函數的替換是在編譯階段，宏定義的替換是在預編譯階段。
• 內聯函數會進行類型檢查，宏定義函數不會進行類型檢查。
• 內聯函數的參數中，表達式和函數只會被執行一次，宏定義函數中可能會被執行多次。
• 內聯函數的執行順序和正常函數一樣，宏定義函數替換後，表達式的執行順序可能會有不同。
• 內聯函數不一定會被替換，如果代碼過於複雜，編譯器將不進行替換。而宏定義一定會被替換。

補充

我在後續學習中又發現他們還有一些別的不同點：

• 內聯函數一定是完整的邏輯，上文中的變量需要進行參數傳遞，函數體內括號也都需要一一對應，等等；而宏定義因爲只是替換，因此邏輯可以不完整（比如說使用了函數體外的變量，比如說只有左括號卻沒有對應的右括號），只需要替換之後整個程序的邏輯是完整的即可。
• 宏函數的參數可以不一定是完整變量名，甚至不一定是變量，可以是類型名、函數名、或者不完整的變量名、類型名、函數名等。比如：#define MACRO(type, name) type var_##name，這個時候你就可以調用MACRO(int, a)來構建一個名爲var_a的int型變量（關於##的用法請看我的另一篇博客）。（感覺這一點應該算是上一點的補充）
• 可以使函數指針指向內聯函數（但是此時不再內聯，即不再替換，而是和正常函數一樣進行跳轉），但是不能指向宏函數。
• 內聯函數可以重載、繼承，宏函數不可以。
• 宏函數中使用的函數可以不必提前聲明，只需在真正使用這個宏函數的代碼前聲明過即可。比如如下代碼是正確的：

  #define TEST_MACRO0() TEST_MACRO1(1)
  #define TEST_MACRO1(i) TEST_MACRO2(i,2)
  #define TEST_MACRO2(i1, i2) TEST_MACRO3(i1, i2, 3)
  #define TEST_MACRO3(i1, i2, i3) {cout << i1 << i2 << i3 << endl;}
  
  int main(void) { TEST_MACRO0(); }
  

  可以看到，在定義TEST_MACRO0之前，是沒有定義TEST_MACRO1的，但是只要在main函數真正調用TEST_MACRO0之前定義好TEST_MACRO1，那麼代碼就是正確的。

感覺說了這麼多不同點，其實都是宏函數與內聯函數兩種不同基本性質的不同體現：

• 宏函數只是預編譯階段純粹的代碼層面的簡單替換。因爲只是簡答替換，所以可能會被執行多次，可能順序會不同，參數可以不必是變量，邏輯不必完整。因爲在預編譯階段的替換，所以不必提前聲明。
• 宏函數一定會被替換，而內聯可以被替換也可以不替換。因爲有可能不被替換，所以內聯函數必須可以被當做正常函數使用，因此必須具備正常函數所有的基本特點，所以必須進行錯誤檢測，參數必須正常合法，邏輯必須完備，參數中的函數和表達式必須只會被執行一次，順序必須和正常函數相同，必須提前聲明，可以使用函數指針，可以重載繼承。