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C++ Primer Plus-第8章 函数探幽

发表于 2022/10/16 更新于 2022/10/27
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    没想到这一章竟然持续了将近10天！虽然差不多是看了三天，因为前面一周感冒纯开摆，顺便还去长广溪呆了两天YWY

8.1 C++内联函数

  • 内联函数是C++为提高程序运行速度所做的一项改进。常规函数和内联函数之间的主要区别不在手编写方式，而在于C++编译器如何将它们组合到程序中

  • 编译过程的最终产品是可执行程序——由一组机器语言指令组成，运行程序时，操作系统将这些指令载入到计算机内存中，因此每条指令都有特定的内存地址

  • 常规函数调用使程跳到另一个地址（函数的地址），并在函数结束时返回

    • 执行到函数调用指令时，程序将在函数调用后立即存储该指令的内存地址

    • 并将函数参数复制到堆栈

    • 跳到标记函数起点的内存单元，执行函数代码（也许还需要将返回值放入寄存器中）

    • 跳回到地址被保存的指令处

      来回跳跃需要一定的开销

  • 内联函数的编译代码与其他程序代码“内联”起来了，也就是说编译器将使用相应的函数代码替换函数调用，不需要跳跃，因此更快，但代价是占用更多内存

  • 如果执行函数代码的时间比处理函数调用机制的时间长，则节省的时间将只占整个过程的很小一部分。如果代码执行时间很短，则内联调用就可节省非内联调用使用的大部分时间

  • 使用内联函数：

    • 在函数声明前加上关键字inline

    • 在函数定义前加上关键字inline

  • 通常做法是省略原型，将整个定义放在本应提供原型的地方

  • 内联函数不能递归

  • inline是C++新增的特性，C语言使用#define来提供宏（但宏不能按值传递）

8.2 引用变量

  • 引用是已定义的变量的别名

  • 通过将引用变量用作参数，函数将使用原始数据

  • int &指向int变量的引用

  • 必须在声明引用时将其初始化

  • int & rodents = rats;其实是int * const pr = &rats;的伪装表示

  • 引用常被用作函数参数，这种传递参数的方法称为按引用传递

  • 如果编写使用基本数值类型的函数，应采用按值传递的方式，当数据比较大时，引用参数将很有用

  • 如果函数形参是引用，那么实参应该是变量，因为比如不能将值赋给表达式和字面常量

  • 如果实参和引用参数不匹配，C++将生成临时变量，而且仅当参数为const引用时才允许这样做:

    • 实参类型正确，并且是非左值(字面常量（除了字符串，因为是指针）、表达式)

    • 实参的类型不正确，但可以转换为正确的类型

    原因其实也很简单，如果不加const意味着想要使用引用修改实参，但C++生成了临时变量，所以是没法修改的。加了const就是不想修改实参，那么生成临时变量去算也没关系，这样的话，该函数只需要在必要的时候生成临时变量，其他情况不生成，又能节约时间还能增加函数使用空间。临时变量只在函数调用期间存在。

    注意：如果函数调用的参数不是左值或与相应的cost引用参数的类型不匹配，则C++将创建类型正确的匿名变量，将函数调用的参数的值传递给该匿名变量，并让参数来引用该变量。

  • 应尽可能使用const

    • 可以避免无意中修改数据的编程错误

    • 使函数能够处理const和非const实参，否则将只能接受非const数据

    • 使用const引用使函数能够正确生成并使用临时变量

  • 引用非常适合用于结构和类

  • 函数头的返回类型如果不是引用，那么将返回一个拷贝；如果返回类型为引用，意味着返回对象本身

  • 为何要返回引用？返回引用与传统返回机制的不同：

    • 传统返回机制与按值传递函数参数类似：计算关键字return后面的表达式，并将结果返回给调用函数，从概念上来讲，这个值被复制到一个临时位置，而调用程序将使用这个值

    • 返回引用直接把结果返回，不会复制到临时位置

    • 注意：应避免返回 函数终止时不再存在的 内存单元引用（比如函数中新建了个对象，返回了这个对象，但该对象在函数结束后自动就销毁了）

      • 解决办法就是：

      • 返回一个作为参数传递给函数的引用

      • 用new来分配新的存储空间

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        const node & clone(node & n)
{
    node * p;
    *p = n;//此时复制了n，此处隐藏了new，实际上使用了new
    return *p;
}

      • 这样使得后面很容易忘记使用delete释放内存

  • 将const用于引用返回类型

    • 一方面不能成为左值

    • 另一方面不能成为函数非const形参的实参

  • 将C-分割字符串用作string对象引用参数

    • string类定义了一种char*到string的转换功能，这使得可以使用C-风格字符串(如"abcd")来初始化string对象

    • 使用const引用形参，如果类型不匹配但能转换为引用类型，那么就会创建正确的临时变量，如果不加const只加引用，那么会报错

  • 基类引用可以指向派生类对象，例如参数类型为ostream &的函数可以接受ostream对象或ofstream对象

    •  setf()可以设置各种格式化状态（ostream类中的方法）

      • setf(ios_base::fixed)定点表示法

      • setf(ios_base::showpoint)显示小数点模式

    • width()（ostream类中的方法）设置下一次操作使用的字段宽度，这种设置只在下一个值时有效，然后恢复默认

  • 何时使用引用参数：

    • 能够修改函数中的数据对象

    • 提高运行速度

  • 使用引用、指针、按值传递的指导原则

    • 对于使用传递的值而不做修改的函数

    • 如果数据对象很小，比如内置数据类型或小结构，则按值传递

    • 如果数据对象是数组，则使用指针，并将指针声明为指向const的指针

    • 如果数据对象是较大的结构，则使用const指针或const引用以提高程序效率

    • 如果数据对象是类对象，则使用const引用。传递类对象参数的标准方式是按引用传递

    • 对于修改调用函数中数据的函数

    • 如果数据对象是内置数据类型，则使用指针

    • 如果数据对象是数组，则只能使用指针

    • 如果数据对象是结构，则使用引用或指针

    • 如果对象是类对象则使用引用
    • 当然，以上都是指导原则，有可能做出其他选择。比如cin对于基本类型使用引用，因此可以使用cin>>n而不是cin>>&n

8.3 默认参数

  • 默认参数指的是当函数调用中省略了实参时自动使用的一个值

  • 通过函数原型来设置默认值，将值赋给原型中的参数，例如char * left(const char * str, int n = 1);

  • 对于带参数列表的函数（即有多个参数），必须从右向左添加默认值

  • 实参按从左到右的顺序依次被赋给相应的形参，而不能跳过任何参数，因此下面的调用是不允许的beeps=harpo(3, ,8);

8.4 函数重载

  • 函数重载的关键是函数的参数列表——也称为函数特征标(function signature)，如果两个函数的参数数目和类型相同，同时参数的排列顺序也想通，则它们的特征标相同，而变量名是无关紧要的

  • C＋＋允许定义名称相同的函数，条件是它们的特征标不同

  • 使用被重载的函数时，需要在函数调用中使用正确的参数类型（也就是说不会自动转换类型）

  • 为避免混乱，类型引用和类型本身视为同一特征标

  • 匹配函数时，并不区分const和非const，这是因为非const可以赋给const；如果重载了一个const形参的函数和一个非const形参的函数，那么就会匹配正确类型，如果只写了const的函数，那么非const实参也可以赋给const形参；如果只写了非const形参函数，那么const实参无法赋值

  • 特征标相同且返回类型不同的不能重载

  • void stove(double && r3);这个可以与右值参数匹配，如两个double的和，如果没有定义这个函数，那么就会调用stove(const double &)

  • 名称修饰(name decoration)或名称矫正(name mangling)：它根据函数原型中指定的形参类型对每个函数名进行加密；编译器会将奖惩转换为不太好看的内部表示来描述接口，比如long f(int , float);转换为?f@@YAXH。添加的符号随函数特征标而异，而修饰时使用的约定随编译器而异

8.5 函数模板

  • 函数模板是通用的函数描述，也就是说，它们使用泛型来定义函数

  • 建立一个交换模板：

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    template <typename AnyType>
void Swap(AnyType &a, AnyType &b)
{
    AnyType tmp;
    tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
}
template <class AnyType>
void Swap(AnyType &a, AnyType &b)
{
    AnyType tmp;
    tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
}
    • 第一行指出要建立一个模板，并将类型命名为AnyType；关键字tmplate和typeename是必需的，除非使用关键字class代替typename

  • 注意，函数模板不能缩短可执行程序

  • 并非所有的模板参数都必须是模板参数类型，可以是具体类型

  • 第三代具体化：

    • 对于给定的函数名，可以有非模板函数、模板函数和显式具体化模板函数以及它们的重载版本

    • 显式具体化的原型和定义应以template<>打头，并通过名称来指出类型

    • 具体化优先于常规模板，而非模板函数优先于具体化和常规模板

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      void swap(job &, job &);//非模板
template <typename T>
void swap(T &, T &);//模板
template <> void swap<job>(job &, job &);//显式具体化模板
template <> void swap(job &, job &);//<job>可省略

  • 实例化和具体化：

    • 函数模板本身并不会生成函数定义，它只是一个用于生成函数定义的方案

    • 实例化：

      • 编写模板后，调用模板函数如swap(i,j)，那么会导致编译器生成swap()的一个实例，即生成了一个函数定义，这种实例化方式称为隐式实例化(implicit instantiation)

      • 显式实例化(explicit instantiation)：命令创建特定的实例template void swap<int>(int, int);；也可以使用函数来创建显式实例化，比如swap<int>()，即使用swap()模板来生成int类型的函数定义，那么如果参数的类型不同，就可以通过类型转换而尝试运行，当然也有可能出其他的错误，但是，隐式实例化遇到两个不同类型的参数会直接报错（swap模板的两个形参类型一样）

    • 显式具体化(explicit specialization)：template <> void swap<int>(int &, int &) ;//(其中<int>可省略)这个声明的意思是不要使用swap模板来生成int的函数定义，而是应该使用专门为int类型显式地定义的函数定义

    • 隐式实例化、显式实例化、显式具体化统称为具体化

  • 重载解析(overloading resolution)：对于函数重载、函数模板和函数模板重载，C++需要一个策略——决定为函数调用使用哪一个函数定义，尤其是有多个参数时

    1. 创建候选函数列表，其中包含与被调用函数名称相同的函数和模板函数

    2. 使用候选函数列表创建可行函数列表(类型隐式转换的也加入可行列表)

    3. 确定是否有最佳可行函数
      • 最佳到最差顺序：

    4. 完全匹配，但常规函数优于模板

    5. 提升转换（如char自动转为int，float自动转double）

    6. 标准转换（如int转char，long转double）

    7. 用户自定义的转换
      • 如果有多个匹配的原型，没有最佳的可行函数（如果存在更具体的，那么也算是有最佳的可行函数），则编译器会生成一条错误信息。比如ambiguous(二义性)

    • 自己选择

      • lesser<>(m,n);此时是示意编译器选择模板函数而不使用非模板函数

      • lesser<int>(m,n);此时是示意编译器选择模板函数并将实参强制转换为int

  • 模板函数拓展

    • 为解决类型问题，发明了关键字decltype:

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      template<typename t1, typename t2>
void f(t1 x, t2 y)
{
    decltype(x)z;//设置z的类型和x一样
    decltype(x + y) xpy;//设置xpy的类型与x+y一样
    xpy = x + y;
}

    • 语法：decltype(expression) var;

      1. 如果expression是一个没有用括号括起来的标识符，那么var的类型与该标识符类型相同

      2. 如果expression是一个函数调用，则var类型与函数的返回类型相同

      3. 如果expression是一个左值，那么var为指向其类型的引用

    • 同样，因为无法预先知道x和y的类型，可以将返回类型设置为decltype(x + y)，但此时未声明x和y，不在作用域（编译器看不到），为此C++11使用auto与后置返回类型(trailing return type)来操作：

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      template<class t1, class t2>
auto gt(t1 x, t2 y) -> decltype(x + y)
{
   return x + y; 
}
C++, C++ Primer Plus
学习笔记
本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权
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