鑽石舞台

之前寫了一篇總結c++面試的文章，被大佬糾出來很多關於內聯的問題與錯誤。抱着不誤導別人的態度（也因為上篇文章承諾要給大家深入分析一下內聯函數），我在最近的一個月里抽了很多時間去重新研究inline，確實學到了很多以前不了解的知識。學習麼~就是一個不斷打破之前認知並重構知識的過程，每個人都是從一個什麼都不懂的菜鳥逐漸成長為一個大牛的。

在這篇文章里，我會由淺入深的分析不同階段的我對內聯函數的認識，重構我的知識體系。即使你之前對inline不了解，也可以看得懂這篇文章。

由於篇幅比較長，會分成上下兩個部分。另外，文中會有很多引用的參考鏈接，我會統一放到文末的位置。這次我也重新的對文章做了排版，方便大家閱讀。（不過由於我公眾號開的較晚，開啟評論功能是遙遙無期了）

01：菜鳥階段

上大學第一次接觸C++，然後了解到了內聯函數。啥是內聯函數？簡單理解就是編譯時把函數的定義替換到調用的位置。

inline int Add(int a, int b){ return a + b;}int main(){ int num1 = 1; int num2 = 2; int myNum = Add(num1, num2);}//這樣的代碼內聯之後大概就是int main(){ int num1 = 1; int num2 = 2; int myNum = num1 + num2;}

好的，感覺好像還挺簡單的。啥？你問我啥是編譯？嗯。。編譯就是把你的代碼通過編譯器分析一下然後轉換成計算機能直接讀懂的語言（匯編），最後生成一個可執行的程序（或可被調用的庫）。

當然，我這麼解釋有點不太權威，咱們再看看維基百科關於內聯函數的定義：

在計算機科學中，內聯函數（有時稱作在線函數或編譯時期展開函數）是一種編程語言結構，用來建議編譯器對一些特殊函數進行內聯擴展（有時稱作在線擴展）；也就是說建議編譯器將指定的函數體插入並取代每一處調用該函數的地方（上下文），從而節省了每次調用函數帶來的額外時間開支。但在選擇使用內聯函數時，必須在程序占用空間和程序執行效率之間進行權衡，因為過多的比較複雜的函數進行內聯擴展將帶來很大的存儲資源開支。【參考1：內聯函數維基百科】

那麼內聯函數有什麼有點呢？當然是減少函數調用帶來的開銷了，幾乎每本C++入門書籍、百科以及博客都是這麼說的。不過，什麼是函數調用開銷？額，反正調用函數肯定要消耗CPU運算吧，肯定也有內存參與，肯定有開銷，嗯。

另外，我還從書上了解一些相關的知識，如直接在類的頭文件裡面定義的函數都是自動內聯的（並不對），內聯相比宏定義有類型檢查、可支持類的訪問控制等優點。

這時候的我知道的專業名詞有：匯編、編譯、內聯、CPU、函數調用、內存地址，但是他們之間的關係幾乎是一頭霧水了。就如下圖一樣，

02：初識階段

之前總是說減少函數調用開銷，那麼這個調用開銷到底是指什麼？這時候的我發現有一些面試裡面會問到這個問題，所以還真有必要理解一下了。

我們常說，C語言程序內存分為常量區、代碼區、靜態全局區、棧區、堆區。當我們的程序運行時，我們的編譯後的二進制程序（這個二進制程序的分布格式差不多就是前面說的那幾個區，裡面會有各種匯編命令）就會被放到操作系統的內存裡面，函數代碼段被放在所謂的代碼區，局部變量與函數參數被放在棧區。函數調用就發生在棧區裡面，每次調用的時候會把當前函數的相關內容壓入到棧裡面處理寄存器相關的數據信息（所謂沒有地址的右值一般就是通過寄存器存儲的數據）；然後，調用地址指向我們要執行的函數位置，開始處理函數內部的指令進行計算，當函數執行結束後，要彈出相關數據，處理棧內數據以及寄存器數據。【參考2：淺談C/C++堆棧指引——C/C++堆棧很強大】

這個過程也就是所謂的「函數調用開銷」。

到現在為止，我們不妨先總結一下消除函數調用的直接好處【參考3：Inline expansion 】：

1.它消除了函數調用過程中所需的各種指令：包括在堆棧或寄存器中放置參數，調用函數指令，返回函數過程，獲取返回值，從堆棧中刪除參數並恢復寄存器等。

2.由於不需要寄存器來傳遞參數，因此減少了寄存器溢出的概率。當使用引用調用（或通過地址調用或通過共享調用）時，它消除了必須傳遞引用然後取消引用它們。

當然缺點我們也應該了解，使用不當的話就會造成代碼膨脹（也就是生成的可執行程序會變大）；影響cache對數據的命中；如果你設計了一個函數庫，調用你的內聯函數還會造成客戶代碼的重新編譯。

一般一級高速緩存裡面會分為指令緩存（instruction cache）以及數據緩存（data cache），inline的使用不當對二者都可能造成影響。首先，過多的內聯代碼會使原來本可以存儲到ICache的指令分散，導致指令緩存的命中降低，從內存取數據會嚴重影響效率。其次，inline會導致代碼膨脹，增加可執行程序（動態庫、靜態庫）體積，造成額外的換頁行為，進而可能會導致數據緩存的命中率降低。

上面說的缺點還比較抽象，很多情況好像都可以接受。而還有一些特定情況，內聯將會造成很嚴重的後果，如遞歸函數的內聯可能造成代碼的無限inline循環。所以編譯器在這些特殊情況下會拒絕內聯，常見的包括虛調用，函數體積過大，有遞歸，可變數目參數，通過函數指針調用，調用者異常類型不同，declspec宏、使用alloca、使用setjump等。不過這些情況編譯器也並不是一定會拒絕，虛調用在某些情況下就可以被內聯，會在第三部分細說。

這時候，我認識到，其實內聯inline只是建議性的關鍵字，編譯器並不一定會聽你的，畢竟他比你更了解你的代碼編譯後是什麼樣子的，而所謂的內聯也不單單是指inline這個關鍵字了，他本質上是一種編譯器的優化方式。另外，在windows上平台我還經常能看到forceinline【參考4：MS Doc】（GCC上的【always_inline】）這樣的關鍵字，字面意思是強制內聯。不過經過查閱，發現一般只是對代碼體積不做限制了，或者說在Debug模式（不不開啟優化的情況）下也會儘量按照開發者的意願去內聯。無論如何，最終的決定權還是交給編譯器去處理。

在這個階段的學習過程中，我發現想理解程序的編譯與運行，還不得不去看看程序的反匯編代碼，看看編譯器編譯後的代碼是什麼樣子的。畢竟很多時候，我們需要親自手動操作才能真正的理解其中的原理。

雖然我上學時很討厭這門課，但是我發現想大概看懂反匯編代碼，並不需要非常完善的匯編知識，只要把常見的一些命令記住並理解就行了。【參考5：手把手教你棧溢出從入門到放棄 】

還是前面那段代碼，測試在VS2017下的匯編代碼（方法參考上圖，代碼主要看紅色部分）

inline int Add(int a, int b){ return a + b;}

int main(){ int num1 = 1; int num2 = 2; int myNum = Add(num1, num2);}

//Debug模式下無內聯優化的匯編代碼，需要跳到Add函數的地址去執行計算int main(){//前面匯編代碼省略

01232547 mov eax,0CCCCCCCCh 0123254C rep stos dword ptr es:[edi] 0123254E mov ecx,offset _5BD3FBCE_consoleapplication2.cpp (01247008h) 01232553 call @__CheckForDebuggerJustMyCode@4 (0123142Eh)

intnum1=1;

01232558 mov dword ptr [num1],1

intnum2=2;

0123255F mov dword ptr [num2],2

intmyNum=Add(num1,num2);

01232566 mov eax,dword ptr [num2] 01232569 push eax 0123256A mov ecx,dword ptr [num1] 0123256D push ecx 0123256E call Add (01231726h) 01232573 add esp,8 01232576 mov dword ptr [myNum],eax }

int Add(int a, int b){//前面匯編代碼省略

00891E67 mov eax,0CCCCCCCCh 00891E6C rep stos dword ptr es:[edi] 00891E6E mov ecx,offset _5BD3FBCE_consoleapplication2.cpp (08A7008h) 00891E73 call @__CheckForDebuggerJustMyCode@4 (089142Eh)

return a + b;00891E78 mov eax,dword ptr [a] 00891E7B add eax,dword ptr [b] }

//Debug模式下開啟內聯（/Ob2，參考上圖）後的匯編代碼，無需跳轉到Add函數的位置，直接優化計算

int main(){//前面匯編代碼省略

00F41F67 mov eax,0CCCCCCCCh 00F41F6C rep stos dword ptr es:[edi] 00F41F6E mov ecx,offset _5BD3FBCE_consoleapplication2.cpp (0F57008h) 00F41F73 call @__CheckForDebuggerJustMyCode@4 (0F4142Eh)

intnum1=1;

00F41F78 mov dword ptr [num1],1

intnum2=2;

00F41F7F mov dword ptr [num2],2

intmyNum=Add(num1,num2);

00F41F86 mov eax,dword ptr [num1] 00F41F89 add eax,dword ptr [num2] 00F41F8C mov dword ptr [myNum],eax }

通過觀察匯編代碼，我發現經過內聯處理後的匯編代碼可以直接進行兩個參數的累加而不需要去調用Add函數。

當然你也可以在這裡【參考6：Compiler Explorer】試試其他的編譯器，如GCC、ICC、Clang。關於VS控制內聯的參數，可以看這裡【參考7：Microsoft Doc Inline Option】。

後來，我又看了《深入探索C++對象模型》這本書，印象很深的就是我們以為的代碼在編譯器處理後並不是我們以為的那樣，裡面有各種mangling【參考8：name mangling】，添加各種附加代碼，那些看起來空空如也的的構造函數（析構函數同理）裡面也可能有着幾十行或者上百行的複雜代碼。想象一下，你把這些構造代碼內聯的到處都是，你確定你的程序能得到優化麼？

在下個階段，我開始了解到一些編譯器相關的內容，對內聯的認識也進一步提升。