内联函数与变量

Alex 2025 年 1 月 18 日

当需要编写完成某项离散任务的代码（例如读取用户输入、向文件输出或计算某个数值）时，通常有两种实现方式：

将代码直接写入现有函数内部（即“就地”或“内联”编写）；
创建一个新函数（并可能再划分子函数）来专门处理该任务。

将代码放入独立的新函数可带来诸多潜在好处：

小函数在整体程序中更易阅读与理解；
函数天然模块化，便于复用；
仅需在一处修改，维护更轻松。

然而，使用新函数的缺点是每次调用都会产生一定的性能开销。示例：

#include <iostream>

int min(int x, int y)
{
    return (x < y) ? x : y;
}

int main()
{
    std::cout << min(5, 6) << '\n';
    std::cout << min(3, 2) << '\n';
    return 0;
}

每当遇到 min() 调用时，CPU 必须：

保存当前指令地址与寄存器状态；
实例化并初始化形参 x、y；
跳转到 min() 的代码；
函数返回后，再跳转回原位置，并复制返回值。
这些额外工作统称为开销。

对于大型或复杂函数，调用开销相对实际执行时间微不足道；但对小型函数（如上述 min()），开销可能超过函数体本身的执行时间。若此类小函数被频繁调用，则使用函数会导致显著性能损失。

内联展开（Inline Expansion）

编译器通过内联展开避免上述开销：将函数调用处替换为函数体的实际代码。
对示例进行内联展开后，代码等价于：

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << ((5 < 6) ? 5 : 6) << '\n';
    std::cout << ((3 < 2) ? 3 : 2) << '\n';
    return 0;
}

两处 min() 调用被直接替换为函数体，既消除了调用开销，又保留结果。

内联代码的性能与权衡

除移除调用开销外，内联展开还能让编译器进一步优化，例如：

表达式 ((5 < 6) ? 5 : 6) 为编译期常量，编译器可将第一条语句优化为 std::cout << 5 << '\n';。

然而，内联亦有代价：若函数体指令多于调用指令，展开会使可执行文件增大。更大的二进制文件可能降低缓存效率，反而减慢运行速度。

因此，是否适合内联需综合考虑：函数调用成本、函数大小及后续优化空间。
内联最适合短小、简单（通常仅数条语句）的函数，尤其是循环中多次调用的场景。

何时发生内联展开

每个函数调用属于以下两类之一：

可能展开（大多数函数）；
无法展开。

现代编译器对“可能”类函数逐调用点评估是否内联；可能全部、部分或完全不展开。
最常见的“无法展开”情形是：函数定义位于另一翻译单元，编译器无法获取其定义。

历史上的 `inline` 关键字

早期编译器缺乏或拙于判断内联收益，C++ 引入 inline 关键字，作为提示：

#include <iostream>

inline int min(int x, int y)
{
    return (x < y) ? x : y;
}

int main()
{
    std::cout << min(5, 6) << '\n';
    std::cout << min(3, 2) << '\n';
    return 0;
}

在现代 C++ 中，inline 关键字不再用于请求内联展开，原因如下：

属于过早优化，误用反而损害性能；
仅为提示，编译器可完全忽略；
粒度不当——关键字作用于函数定义，而展开决策针对每次调用；
现代优化器通常比人类更擅长判断内联时机。

最佳实践：
不要使用 inline 关键字请求函数内联。

现代语义：`inline` 表示“允许多重定义”

若函数（默认具有外部链接）的定义放在头文件中，且被多个 .cpp 包含，将违反一次定义规则（ODR）。
现代 C++ 中，inline 的语义演变为“允许多重定义”。内联函数可在多个翻译单元定义，只要：

编译器在每个使用翻译单元可见完全相同的定义；
每个翻译单元仅含一份定义；
所有定义完全一致，否则导致未定义行为。

示例：

main.cpp

#include <iostream>

double circumference(double radius); // 前向声明

inline double pi() { return 3.14159; }

int main()
{
    std::cout << pi() << '\n';
    std::cout << circumference(2.0) << '\n';
    return 0;
}

math.cpp

inline double pi() { return 3.14159; }

double circumference(double radius)
{
    return 2.0 * pi() * radius;
}

两文件均定义 pi()，因标记 inline，链接器会合并为单一定义；若移除 inline，则触发 ODR 违规。

头文件中的内联函数

内联函数常置于头文件，通过 #include 供各翻译单元使用，确保定义一致。该做法尤其适用于仅头文件库，无需额外源文件或链接步骤，只需 #include 即可使用。

示例头文件：

pi.h

#ifndef PI_H
#define PI_H

inline double pi() { return 3.14159; }

#endif

main.cpp & math.cpp 均 #include "pi.h"，链接器自动去重。

高级内容：隐式内联

以下函数 隐式内联（无需 inline 关键字）：

类/结构体/联合体内部定义的成员函数；
constexpr / consteval 函数；
函数模板隐式实例化。

最佳实践

仅在必要场景（如头文件定义函数/变量）使用 inline，避免滥用。

为何不把全部函数放头文件并内联？

编译时间剧增：头文件改动会导致所有包含者重编译；
重复编译：同一内联函数在 N 个翻译单元被编译 N 次；
大型项目级联重编译影响巨大。

C++17 内联变量

背景：若需跨文件共享常量，函数式写法（如 pi()）显得冗余。
C++17 引入 inline 变量，允许变量在多个文件定义，规则与内联函数一致。

常见用途见 7.10 课《使用 inline 变量共享全局常量》。

速览

场景	是否需 `inline`
头文件定义函数/变量	需显式 `inline`（除非已隐式）
源文件定义函数	无需
类内成员函数	隐式
`constexpr` / `consteval` 函数	隐式
函数模板实例	隐式

结论

仅在头文件定义需跨翻译单元共享的函数或变量时使用 inline，其余情况交由编译器优化。