作者：寒小陽
時間：2013年8月。
出處：http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/10473845车吹。
聲明：版權所有筹裕，轉載請注明出處，謝謝窄驹。

C++函數(shù)的高級特征

重載（overloaded）朝卒、內聯(lián)（inline）、const 和virtual是C++獨有而C不具有的四種機制乐埠。其中重載和內聯(lián)是一把雙刃劍，用的好可以提高效率豪治，精簡程序；而一味濫用也會影響程序的效果扯罐。這里根據(jù)筆試面試中常碰到的問題负拟，探究一下重載和內聯(lián)的優(yōu)點與局限性，說明應該不應該使用的場景歹河。

1 函數(shù)重載

1.1 重載的定義和意義
在C++程序中掩浙，可以將語義、功能相似的幾個函數(shù)用同一個名字表示秸歧，即函數(shù)重載厨姚，如下程序所示。但它們互相之間參數(shù)不同键菱，這樣，這是C++語言采用重載機制的一個理由经备。 C++語言采用重載機制的另一個理由是： 因為C++規(guī)定構造函數(shù)與類同名，構造函數(shù)只能有一個名字侵蒙，但有時候我們需要幾種方法構造對象造虎。

            void Eat(Beef …);     // 吃牛肉
            void Eat(Fish …);     // 吃魚肉
            void Eat(Chicken …);  // 吃雞肉

1.2 重載的實現(xiàn)方法
只能靠參數(shù)而不能靠返回值類型的不同來區(qū)分重載函數(shù)。編譯器根據(jù)參數(shù)為每個重載函數(shù)產(chǎn)生不同的內部標識符纷闺。例如編譯器為上節(jié)中的三個Eat函數(shù)產(chǎn)生象_eat_beef算凿、eat_fish、_eat_chicken之類的內部標識符（不同的編譯器可能產(chǎn)生不同風格的內部標識符）犁功。

說到這里氓轰，要提到一個常見的筆試面試題了：

C++程序不能直接調用已編譯后的C函數(shù)的戒努，這是因為名稱問題，舉個例镐躲，一個函數(shù)叫做void foo(int x, int y)储玫，該函數(shù)被C編譯器編譯后在庫中的名字為_foo，而C++編譯器則會產(chǎn)生像_foo_int_int之類的名字用來支持函數(shù)重載和類型安全連接萤皂，名稱就不一樣撒穷，因此不能直接調用的。那要調用的話怎么辦呢裆熙？

例如：

extern “C”
{ 
void foo(int x, int y); 
…// 其它函數(shù)
} 

或者寫成

extern “C”
{ 
#include “myheader.h”
…// 其它C頭文件
} 

這就告訴C++編譯譯器禽笑，函數(shù)foo 是個C連接，應該到庫中找名字_foo而不是找_foo_int_int蛤奥。C++編譯器開發(fā)商已經(jīng)對C標準庫的頭文件作了extern“C”處理佳镜，所以我們可以用＃include 直接引用這些頭文件。

這里還需要注意一點：并不是兩個函數(shù)的名字相同就能構成重載凡桥。全局函數(shù)和類的成員函數(shù)同名不算重載蟀伸，因為函數(shù)的作用域不同。例如：

void Print(…);  // 全局函數(shù)
class A 
{…
void Print(…); // 成員函數(shù)
} 

不論兩個Print 函數(shù)的參數(shù)是否不同缅刽，如果類的某個成員函數(shù)要調用全局函數(shù)Print啊掏，為了與成員函數(shù)Print區(qū)別，全局函數(shù)被調用時應加‘::’標志衰猛。如

::Print(…); // 表示Print是全局函數(shù)而非成員函數(shù)

1.3 小心隱式類型轉換導致重載函數(shù)產(chǎn)生二義性
隱式類型轉換在很多地方可以簡化程序的書寫迟蜜，但是也可能留下隱患。如下例：

# include <iostream.h> 
void output( int x);  // 函數(shù)聲明
void output( float x); // 函數(shù)聲明
void output( int x) 
{ 
cout << " output int " << x << endl ; 
} 
void output( float x) 
{ 
cout << " output float " << x << endl ; 
} 
void main(void) 
{ 
int x = 1; 
float y = 1.0; 
output(x);     // output int 1 
output(y);     // output float 1 
output(1);     // output int 1 
// output(0.5);    // error! ambiguous call, 因為自動類型轉換
output(int(0.5)); // output int 0 
output(float(0.5));  // output float 0.5 
} 

第一個output函數(shù)的參數(shù)是int類型啡省，第二個output函數(shù)的參數(shù)是float類型娜睛。由于數(shù)字本身沒有類型，將數(shù)字當作參數(shù)時將自動進行類型轉換（稱為隱式類型轉換）卦睹。語句output(0.5)將產(chǎn)生編譯錯誤微姊，因為編譯器不知道該將0.5轉換成int還是float類型的參數(shù)。

6.2 關于成員函數(shù)的重載覆蓋和隱藏
成員函數(shù)的重載分预、覆蓋（override）與隱藏很容易混淆兢交，也是筆試面試中常愛被提到的問題。

1）關于重載與覆蓋
成員函數(shù)被重載的特征：

        （1）相同的范圍（在同一個類中）笼痹；

        （2）函數(shù)名字相同配喳；

        （3）參數(shù)不同；

        （4）virtual關鍵字可有可無凳干。

覆蓋是指派生類函數(shù)覆蓋基類函數(shù)晴裹，特征是：

        （1）不同的范圍（分別位于派生類與基類）；

        （2）函數(shù)名字相同救赐；

        （3）參數(shù)相同涧团；

        （4）基類函數(shù)必須有virtual關鍵字。

如下例中经磅，函數(shù)Base::f(int)與Base::f(float)相互重載泌绣，而Base::g(void)被Derived::g(void)覆蓋。

#include <iostream.h> 
class Base 
{ 
public: 
void f(int x){ cout << "Base::f(int) " << x << endl; } 
void f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; } 
virtual void g(void){ cout << "Base::g(void)" << endl;} 
}; 
class Derived : public Base 
{ 
public: 
virtual void g(void){ cout << "Derived::g(void)" << endl;} 
}; 
void main(void) 
{ 
Derived d; 
Base *pb = &d; 
pb->f(42);    // Base::f(int) 42 
pb->f(3.14f);  // Base::f(float) 3.14 
pb->g();   // Derived::g(void) 
} 

2）令人迷惑的隱藏規(guī)則
本來僅僅區(qū)別重載與覆蓋并不算困難预厌，但是C++的隱藏規(guī)則使問題復雜性陡然增加阿迈。

  這里“隱藏”是指派生類的函數(shù)屏蔽了與其同名的基類函數(shù)，規(guī)則如下：

  （1）如果派生類的函數(shù)與基類的函數(shù)同名轧叽，但是參數(shù)不同苗沧。此時刊棕，不論有無virtual關鍵字，基類的函數(shù)將被隱藏（注意別與重載混淆）待逞。

  （2）如果派生類的函數(shù)與基類的函數(shù)同名甥角，并且參數(shù)也相同，但是基類函數(shù)沒有virtual關鍵字识樱。此時嗤无，基類的函數(shù)被隱藏（注意別與覆蓋混淆）。

  如下面要給出的例子中：

  （1）函數(shù)Derived::f(float)覆蓋了Base::f(float)牺荠。

  （2）函數(shù)Derived::g(int)隱藏了Base::g(float)翁巍，而不是重載驴一。

  （3）函數(shù)Derived::h(float)隱藏了Base::h(float)休雌，而不是覆蓋。

#include <iostream.h> 
class Base 
{ 
public: 
virtual void f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; } 
void g(float x){ cout << "Base::g(float) " << x << endl; } 
void h(float x){ cout << "Base::h(float) " << x << endl; } 
}; 
class Derived : public Base 
{ 
public: 
virtual void f(float x){ cout << "Derived::f(float) " << x << endl; } 
void g(int x){ cout << "Derived::g(int) " << x << endl; } 
void h(float x){ cout << "Derived::h(float) " << x << endl; } 
}; 

而下例中肝断，bp和dp指向同一地址杈曲，按理說運行結果應該是相同的，可事實并非這樣胸懈。由于對“隱藏”的認識不夠深刻担扑，“隱藏”的發(fā)生可謂神出鬼沒，常常產(chǎn)生令人迷惑的結果趣钱。

void main(void) 
{ 
Derived d; 
Base *pb = &d; 
Derived *pd = &d; 
// Good : behavior depends solely on type of the object 
pb->f(3.14f);  // Derived::f(float) 3.14 
pd->f(3.14f);  // Derived::f(float) 3.14 
// Bad : behavior depends on type of the pointer 
pb->g(3.14f);  // Base::g(float) 3.14 
pd->g(3.14f);  // Derived::g(int) 3 (surprise!) 
// Bad : behavior depends on type of the pointer 
pb->h(3.14f);  // Base::h(float) 3.14 (surprise!) 
pd->h(3.14f);  // Derived::h(float) 3.14 
} 

3）擺脫隱藏
隱藏規(guī)則引起了不少麻煩涌献。下例程序中，語句pd->f(10)的本意是想調用函數(shù)Base::f(int)首有，但是Base::f(int)不幸被Derived::f(char *)隱藏了燕垃。由于數(shù)字10不能被隱式地轉化為字符串，所以在編譯時出錯井联。

class Base 
{ 
public: 
void f(int x); 
}; 
class Derived : public Base 
{ 
public: 
void f(char *str); 
}; 
void Test(void) 
{ 
Derived *pd = new Derived; 
pd->f(10); // error 
}

從示例8-2-3看來卜壕，隱藏規(guī)則似乎很愚蠢。但是隱藏規(guī)則至少有兩個存在的理由：

（1）寫語句pd->f(10)的人可能真的想調用Derived::f(char *)函數(shù)烙常，只是他誤將參數(shù)寫錯了轴捎。有了隱藏規(guī)則，編譯器就可以明確指出錯誤蚕脏，這未必不是好事侦副。否則，編譯器會靜悄悄地將錯就錯驼鞭，程序員將很難發(fā)現(xiàn)這個錯誤跃洛，流下禍根。

（2）假如類Derived有多個基類（多重繼承）终议，有時搞不清楚哪些基類定義了函數(shù)f汇竭。如果沒有隱藏規(guī)則葱蝗，那么pd->f(10)可能會調用一個出乎意料的基類函數(shù)f。盡管隱藏規(guī)則看起來不怎么有道理细燎，但它的確能消滅這些意外两曼。

上例中，如果語句pd->f(10)一定要調用函數(shù)Base::f(int)玻驻，那么將類Derived修改為如下即可悼凑。

class Derived : public Base 
{ 
public: 
void f(char *str); 
void f(int x) { Base::f(x); } 
};

6.3 關于函數(shù)參數(shù)的缺省值
有一些參數(shù)的值在每次函數(shù)調用時都相同，書寫這樣的語句會使人厭煩璧瞬。C++語言采用參數(shù)的缺省值使書寫變得簡潔（在編譯時户辫，缺省值由編譯器自動插入）。

對于函數(shù)的缺省值嗤锉，建議大家遵照以下一些規(guī)則：

1）參數(shù)缺省值只能出現(xiàn)在函數(shù)的聲明中渔欢，而不能出現(xiàn)在定義體中。

例如：

void Foo(int x=0, int y=0);  // 正確瘟忱，缺省值出現(xiàn)在函數(shù)的聲明中
void Foo(int x=0, int y=0) // 錯誤奥额，缺省值出現(xiàn)在函數(shù)的定義體中
{ 
…
} 

為什么會這樣？我想是有兩個原因：一是函數(shù)的實現(xiàn)（定義）本來就與參數(shù)是否有缺省值無關访诱，所以沒有必要讓缺省值出現(xiàn)在函數(shù)的定義體中垫挨。二是參數(shù)的缺省值可能會改動，顯然修改函數(shù)的聲明比修改函數(shù)的定義要方便触菜。

2）如果函數(shù)有多個參數(shù)九榔，參數(shù)只能從后向前挨個兒缺省，否則將導致函數(shù)調用語句怪模怪樣涡相。

正確的示例如下：

void Foo(int x, int y=0, int z=0); 

錯誤的示例如下：

void Foo(int x=0, int y, int z=0); 

要注意哲泊，使用參數(shù)的缺省值并沒有賦予函數(shù)新的功能，僅僅是使書寫變得簡潔一些漾峡。它可能會提高函數(shù)的易用性攻旦，但是也可能會降低函數(shù)的可理解性。所以我們只能適當?shù)厥褂脜?shù)的缺省值生逸，要防止使用不當產(chǎn)生負面效果牢屋。下例中，不合理地使用參數(shù)的缺省值將導致重載函數(shù)output產(chǎn)生二義性槽袄。

#include <iostream.h> 
void output( int x); 
void output( int x, float y=0.0); 
void output( int x) 
{ 
cout << " output int " << x << endl ; 
} 
void output( int x, float y) 
{ 
cout << " output int " << x << " and float " << y << endl ; 
} 
void main(void) 
{ 
int x=1; 
float y=0.5; 
// output(x);     // error! ambiguous call 
output(x,y);    // output int 1 and float 0.5 
} 

6.4 關于運算符重載

1）概念和定義

在C++語言中烙无，可以用關鍵字operator加上運算符來表示函數(shù)，叫做運算符重載遍尺。例如兩個復數(shù)相加函數(shù)：

Complex Add(const Complex &a, const Complex &b); 

可以用運算符重載來表示：

Complex operator +(const Complex &a, const Complex &b); 

運算符與普通函數(shù)在調用時的不同之處是：對于普通函數(shù)截酷，參數(shù)出現(xiàn)在圓括號內；而對于運算符乾戏，參數(shù)出現(xiàn)在其左迂苛、右側三热。例如

Complex a, b, c; 
…
c = Add(a, b); // 用普通函數(shù)
c = a + b;   // 用運算符+ 

如果運算符被重載為全局函數(shù)，那么只有一個參數(shù)的運算符叫做一元運算符三幻，有兩個參數(shù)的運算符叫做二元運算符就漾。如果運算符被重載為類的成員函數(shù)，那么一元運算符沒有參數(shù)念搬，二元運算符只有一個右側參數(shù)抑堡，因為對象自己成了左側參數(shù)。

從語法上講朗徊，運算符既可以定義為全局函數(shù)首妖，也可以定義為成員函數(shù)。但是我們有以下建議：

由于C++語言支持函數(shù)重載爷恳，才能將運算符當成函數(shù)來用有缆，C語言就不行。我們要以平常心來對待運算符重載：

        （1）不要過分擔心自己不會用舌仍，它的本質仍然是程序員們熟悉的函數(shù)妒貌。

        （2）不要過分熱心地使用通危，如果它不能使代碼變得更加易讀易寫铸豁，那就別用，否則會自找麻煩菊碟。

2）不能被重載的運算符
在C++運算符集合中节芥，有一些運算符是不允許被重載的。這種限制是出于安全方面的考慮逆害，可防止錯誤和混亂头镊。

        （1）不能改變C++內部數(shù)據(jù)類型（如int,float等）的運算符。

        （2）不能重載‘.’魄幕，因為‘.’在類中對任何成員都有意義相艇，已經(jīng)成為標準用法。

        （3）不能重載目前C++運算符集合中沒有的符號纯陨，如#,@,$等坛芽。原因有兩點，一是難以理解翼抠，二是難以確定優(yōu)先級咙轩。

        （4）對已經(jīng)存在的運算符進行重載時，不能改變優(yōu)先級規(guī)則阴颖，否則將引起混亂活喊。

6.5 關于內聯(lián)函數(shù)
1）用內聯(lián)取代宏代碼
C++ 語言支持函數(shù)內聯(lián)，其目的是為了提高函數(shù)的執(zhí)行效率（速度）量愧。

在C程序中钾菊，可以用宏代碼提高執(zhí)行效率帅矗。宏代碼本身不是函數(shù)，但使用起來象函數(shù)煞烫。預處理器用復制宏代碼的方式代替函數(shù)調用损晤，省去了參數(shù)壓棧、生成匯編語言的CALL調用红竭、返回參數(shù)尤勋、執(zhí)行return等過程，從而提高了速度茵宪。使用宏代碼最大的缺點是容易出錯最冰，由于宏是直接替代展開，預處理器在復制宏代碼時常常產(chǎn)生意想不到的邊際效應稀火。例如

#define MAX(a, b) (a) > (b) ? (a) : (b) 

語句

result = MAX(i, j) + 2 ; 

將被預處理器解釋為

result = (i) > (j) ? (i) : (j) + 2 ; 

由于運算符‘+’比運算符‘:’的優(yōu)先級高暖哨，所以上述語句并不等價于期望的

result = ( (i) > (j) ? (i) : (j) ) + 2 ; 

如果把宏代碼改寫為

#define MAX(a, b) ( (a) > (b) ? (a) : (b) ) 

則可以解決由優(yōu)先級引起的錯誤。但是即使使用修改后的宏代碼也不是萬無一失的凰狞，例如語句

result = MAX(i++, j); 

將被預處理器解釋為

result = (i++) > (j) ? (i++) : (j); 

對于C++ 而言篇裁，使用宏代碼還有另一種缺點：無法操作類的私有數(shù)據(jù)成員。

讓我們看看C++ 的“函數(shù)內聯(lián)”是如何工作的赡若。對于任何內聯(lián)函數(shù)达布，編譯器在符號表里放入函數(shù)的聲明（包括名字、參數(shù)類型逾冬、返回值類型）黍聂。如果編譯器沒有發(fā)現(xiàn)內聯(lián)函數(shù)存在錯誤，那么該函數(shù)的代碼也被放入符號表里身腻。在調用一個內聯(lián)函數(shù)時产还，編譯器首先檢查調用是否正確（進行類型安全檢查，或者進行自動類型轉換嘀趟，當然對所有的函數(shù)都一樣）脐区。如果正確，內聯(lián)函數(shù)的代碼就會直接替換函數(shù)調用她按，于是省去了函數(shù)調用的開銷牛隅。這個過程與預處理有顯著的不同，因為預處理器不能進行類型安全檢查尤溜，或者進行自動類型轉換倔叼。假如內聯(lián)函數(shù)是成員函數(shù)，對象的地址（this）會被放在合適的地方宫莱，這也是預處理器辦不到的丈攒。

C++ 語言的函數(shù)內聯(lián)機制既具備宏代碼的效率，又增加了安全性，而且可以自由操作類的數(shù)據(jù)成員巡验。所以在C++ 程序中际插，應該用內聯(lián)函數(shù)取代所有宏代碼，“斷言assert”恐怕是唯一的例外显设。assert 是僅在Debug版本起作用的宏框弛，它用于檢查“不應該”發(fā)生的情況。為了不在程序的Debug版本和Release版本引起差別捕捂，assert 不應該產(chǎn)生任何副作用瑟枫。如果assert是函數(shù)，由于函數(shù)調用會引起內存指攒、代碼的變動慷妙，那么將導致Debug版本與Release版本存在差異。所以assert 不是函數(shù)允悦，而是宏膝擂。

2）內聯(lián)函數(shù)的編程風格
關鍵字inline必須與函數(shù)定義體放在一起才能使函數(shù)成為內聯(lián)，僅將inline放在函數(shù)聲明前面不起任何作用隙弛。如下風格的函數(shù)Foo不能成為內聯(lián)函數(shù)：

inline void Foo(int x, int y);  // inline僅與函數(shù)聲明放在一起
void Foo(int x, int y) 
{ 
…
} 

而如下風格的函數(shù)Foo則成為內聯(lián)函數(shù)：

void Foo(int x, int y); 
inline void Foo(int x, int y) // inline與函數(shù)定義體放在一起
{ 
…
} 

所以說架馋，inline是一種“用于實現(xiàn)的關鍵字”，而不是一種“用于聲明的關鍵字”全闷。一般地叉寂，用戶可以閱讀函數(shù)的聲明，但是看不到函數(shù)的定義室埋。盡管在大多數(shù)教科書中內聯(lián)函數(shù)的聲明办绝、定義體前面都加了inline關鍵字伊约，但我認為inline不應該出現(xiàn)在函數(shù)的聲明中姚淆。這個細節(jié)雖然不會影響函數(shù)的功能，但是體現(xiàn)了高質量C++/C程序設計風格的一個基本原則：聲明與定義不可混為一談屡律，用戶沒有必要腌逢、也不應該知道函數(shù)是否需要內聯(lián)。

定義在類聲明之中的成員函數(shù)將自動地成為內聯(lián)函數(shù)超埋，例如

class A 
{ 
public: 
void Foo(int x, int y) { …} // 自動地成為內聯(lián)函數(shù)
} 

將成員函數(shù)的定義體放在類聲明之中雖然能帶來書寫上的方便搏讶，但不是一種良好的編程風格，上例應該改成：

// 頭文件
class A 
{ 
public: 
void Foo(int x, int y)霍殴；
} 
// 定義文件
inline void A::Foo(int x, int y) 
{ 
…
} 

3）慎用內聯(lián)
內聯(lián)能提高函數(shù)的執(zhí)行效率媒惕，為什么不把所有的函數(shù)都定義成內聯(lián)函數(shù)？如果所有的函數(shù)都是內聯(lián)函數(shù)来庭，還用得著“內聯(lián)”這個關鍵字嗎妒蔚？內聯(lián)是以代碼膨脹（復制）為代價，僅僅省去了函數(shù)調用的開銷，從而提高函數(shù)的執(zhí)行效率肴盏。如果執(zhí)行函數(shù)體內代碼的時間科盛，相比于函數(shù)調用的開銷較大，那么效率的收獲會很少菜皂。另一方面贞绵，每一處內聯(lián)函數(shù)的調用都要復制代碼，將使程序的總代碼量增大恍飘，消耗更多的內存空間榨崩。以下情況不宜使用內聯(lián)：

  （1）如果函數(shù)體內的代碼比較長，使用內聯(lián)將導致內存消耗代價較高章母。

  （2）如果函數(shù)體內出現(xiàn)循環(huán)蜡饵，那么執(zhí)行函數(shù)體內代碼的時間要比函數(shù)調用的開銷大。

類的構造函數(shù)和析構函數(shù)容易讓人誤解成使用內聯(lián)更有效胳施。要當心構造函數(shù)和析構函數(shù)可能會隱藏一些行為溯祸，如“偷偷地”執(zhí)行了基類或成員對象的構造函數(shù)和析構函數(shù)。所以不要隨便地將構造函數(shù)和析構函數(shù)的定義體放在類聲明中舞肆。

一個好的編譯器將會根據(jù)函數(shù)的定義體焦辅，自動地取消不值得的內聯(lián)（這進一步說明了inline不應該出現(xiàn)在函數(shù)的聲明中）。