在C++中，编译器将函数对象“内联”是什么意思？

Question

在维基百科关于函数对象的文章中提到，当与for_each一起使用时，这些对象具有性能优势，因为编译器可以将它们“内联”。 在这个上下文中，我不太清楚这意味着什么...或者任何上下文，我很尴尬地说。感谢您的帮助！

- Monte Hurd

Answer 1

for_each模板的最后一个参数是一个函数对象。函数对象是可以使用()运算符“调用”的东西（可能带有参数）。根据定义，有两种不同类型的函数对象:

1. 普通非成员函数是函数对象。
2. 重载了()运算符的类类型对象（所谓的函数对象）也是函数对象。

现在，如果你想将一个普通函数用作for_each的函数对象，它看起来会像下面这样:

inline void do_something(int &i) { /* do something */ }

int main() {
  int array[10];
  std::for_each(array, array + 10, &do_something);
}

在这种情况下，for_each模板使用[推导]参数<int *, void (*)(int &)>进行实例化。请注意，在此情况下，实际的函数对象值是作为函数参数传递的函数指针&do_something。从for_each函数的角度看，这是一个运行时值。由于它是一个运行时值，所以对函数对象的调用不能内联（就像一般情况下不可能通过函数指针内联任何调用一样）。

但是如果我们使用函数对象，代码可能如下所示。

struct do_something {
  void operator()(int &i) { /* do something */ }
}; 

int main() {
  int array[10];
  std::for_each(array, array + 10, do_something());
}

在这种情况下，for_each 模板被实例化为具有[推导]参数<int *, do_something>。从 for_each 中对函数对象的调用将被定向到 do_something::operator()。目标调用在编译时已知且不变。由于目标函数在编译时已知，因此可以轻松地进行内联。

当然，在后一种情况下，我们也将运行时值作为参数传递给 for_each。它是我们调用 for_each 时创建的 do_something 类的 [可能是“虚拟的”临时] 实例。但是，此运行时值对调用的目标没有影响（除非 operator () 是虚拟的），因此不会影响内联。

- AnT stands with Russia

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但是编译器可以获得::std::for_each的完整定义。对于聪明的编译器来说，它应该能够看到它被调用时带有一个特定的参数，这个参数恰好是一个声明为内联的函数的地址。编译器应该能够像类方法一样将函数调用内联。 - Omnifarious

@Omnifarious：在我的例子中，您可以使用具有void（int＆）签名的不同函数调用for_each，并且编译器被强制使用相同的、唯一的for_each<int*，void（*）（int＆）>实例化。也就是说，编译器必须每次都使用相同的for_each实例化，并对do_something函数执行间接调用。当然，聪明的编译器可以找到一种方式来悄悄地创建几个for_each实例，正如您所说，但在一般情况下，这将是一个相当可疑的事情。 - AnT stands with Russia

举个例子（忘记模板），当我在程序中有函数 void foo(int) 并多次调用它如 foo(1); foo(2); foo(3);，我通常期望编译器生成一个 foo 函数体并使用不同的参数 1、2 和 3 执行相同的函数体。如果我发现编译器生成了三个不同的 foo 函数体，并分别使用“内联”常量 1、2 和 3，那么我会感到不愉快。对于小的 foo 来说这没问题（如果之后被内联了），但对于较大的 foo 来说则是不可取的。你所描述的本质上是相同的事情。 - AnT stands with Russia

@Omnifarious: 是的，完全正确！将函数指针作为模版参数确实可行，且确实不需要额外的内联工作。但是在std::for_each的情况下，函数指针本身是函数参数（不是模板参数）。模板参数是函数指针类型。 - AnT stands with Russia

关于评论 在我的示例中，您可以使用具有 void (int&) 签名的不同函数调用 for_each，编译器被强制使用唯一一个 for_each 实例，这与 ODR 有关吗？ - user3882729

Answer 2

内联是编译器可以用函数本身的内容替换对函数的调用的过程。

这需要编译器在编译时知道函数的内容。

如果传递了函数指针，编译器通常无法执行此操作。

- Charles Beattie

Answer 3

内联就是直接用函数体替换对该函数的每个调用。

这是针对小函数的优化，因为它减少了跳转到新函数然后返回的开销。

- John Weldon

Answer 4

这意味着函数的定义（代码）可以被复制，从而避免函数调用（在某些系统上被认为是昂贵的）。可以将其视为宏替换。

- dirkgently