Chapter8 函数探幽

8.1 内联函数

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

执行常规函数调用指令时，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，然后跳回到地址被保存的指令处（这与阅读文章时停下来看脚注，并在阅读完教主后返回到以前阅读的地方类似）。来回跳跃并记录跳跃位置意味着使用函数时需要一定的开销。而内联函数的编译代码与其他程序代码“内联“起来了。这也就是说，编译器将使用相应的函数代码替换函数调用。对于内联代码，程序无需跳到另一个位置处执行代码，再跳回来。因此，内联函数的运行速度比常规函数稍快，但代价是需要占用更多的内存。
内联函数和常规函数

要使用内联函数，必须采取下述措施之一：
（1）在函数声明前加上关键字inline；
（2）在函数顶以前加上关键字inline。
通常的做法是省略原型，将整个定义放在本应该提供原型的地方。（内联函数不能递归，与常规函数一样，也是按值来传递参数的）

宏是通过文本替换来实现的，并非传递参数。

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，而不是其副本。这样除指针之外，引用也为函数处理大型结构提供了一种非常方便的途径。

8.2.1 创建引用变量

C和C++使用&符号来指示变量的地址，而C++给&符号赋予了另一个含义，将其用来声明引用。例如，要将rodents作为rats 变量的别名，可以这样做：

1 2	int rats; int & rodents = rats; //makes rodents an alias for rats

其中，&不是地址运算符，而是类型标识符的一部分。就像生命中的char * 指的是指向char的指针一样，int &指的是指向int的引用。上述声明允许将rats和rodents互换——它们指向相同的值和内存单元。

必须在声明引用的时候进行初始化，引用更接近const 指针，必须在创建时进行初始化，一旦与某个变量关联起来，就将一直效忠于他。也就是说：

1	int & rodents = rats;

实际上是下述代码的伪装表示：

1	int * const pr = &rats;

其中引用rodents扮演的角色与表达式*pr相同。

8.2.2 将引用作为函数参数

引用经常被用作函数参数，使得函数中的变量名称为调用程序中的变量的别名。这种传递参数的方法称为按引用传递。

如果函数调用的参数不是左值或与相应的const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。

假设实参的类型与引用参数类型不匹配，但可被转换为引用类型，程序将创建一个正确类型的临时变量，使用转换后的实参值来初始化它，然后传递一个指向该临时变量的引用。

引用参数应尽可能使用const引用：

使用const可以避免无意中修改数据的编程错误；
使用const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。

返回引用的函数返回的实际上是被引用的变量的别名。返回引用时应避免返回函数终止时不再存在的内存单元引用。

基类引用可以指向派生类对象，而无需进行强制类型转换。

8.2.3 何时使用引用参数

使用引用参数的主要原因有两个：

程序员能够修改调用函数中的数据对象。
通过传递引用而不是整个数据对象，可以提高程序的运行速度。

引用、指针、值传递使用场景：

对于使用传递的值而不做修改的函数
- 如果数据对象很小，则按值传递
- 如果数据对象是数组，则使用指针
- 如果数据对象是较大的结构，则使用const指针或const引用给，以提高程序的效率
- 如果数据对象是类对象，则使用const引用
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
- 如果数据对象是类对象，则使用引用。

8.3 默认参数

默认参数是指当函数调用中省略了实参时自动使用的一个值。由于编译器通过查看原型来了解函数所使用的参数数目，因此函数原型也必须将可能的默认参数告知程序。方法是将值赋给原型中的参数（只有原型需指定默认值，函数定义与没有默认参数时完全相同）。

对于带参数列表的函数，必须从右向左添加默认值。也就是说，要为某个参数设置默认值，则必须为它右边的所有参数提供默认值。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。

8.4 函数重载

函数多态（函数重载）使得能能够使用多个同名的函数。术语”多态”指的是有多种形式，因此函数多态可以有多种形式。类似地，术语“函数重载”指的是可以有多个同名的函数，因此对名称进行了重载。这两个术语指的是同一回事，但我们通常使用函数重载。可以通过函数重载来设计一系列函数——它们完成相同的工作，但使用不同的参数列表。

C++使用上下文来确定要使用的重载函数版本。

函数重载的关键是函数的参数列表——也称为函数特征标识（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相同，则它们的特征标相同，而变量名是无关紧要的。*编译器在检查函数特征标时，将把类型引用和类型本身视为同一个特征标*

将非const值赋给const变量时合法的，但反之则是非法的。

仅当函数基本上执行相同的任务，但是用不同形式的数据时，才应采用函数重载。

使用C++开发工具中的编译器编写和编译程序时，C++编译器将执行名称修饰（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。

8.5 函数模板

函数模板时通用的函数描述，也就是说，它们使用泛型来定义函数，其中的泛型可用具体的类型替换。通过将类型作为参数传递给模板，可使编译器生成该类型的函数。由于模板允许以泛型的方式编写程序，因此有时也被称为通用编程。由于类型是用参数表示的，因此模板特性有时也被称为参数化类型（parameterized types）。

函数模板允许以任意类型的方式来定义函数，例如，如下示建立一个交换模板：

template <typename AnyType>	//建立一个模板，并把类型命名为AnyType，关键字template和typename是必须的，可用class代替typename
void Swap(AnyType &a, AnyType &b)
{
    AnyType temp;
    temp = a;
    a = b; 
    b = temp;
}

模板不创建任何函数，而只是告诉编译器如何定义函数。

可以提供一个具体化函数定义——称为显式具体化（explicit specialization），其中包含所需的代码。当编译器找到与函数调用相匹配的具体化定义时，将使用该定义，而不再寻找模板。如：

struct job
{
	char name[40];
    double salary;
    int floor
};
template <> void Swap<job>(job &, job &) //显式具体化

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
显式具体化函数的原型和定义应以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

在代码中包含函数模块本身并不会生成函数定义，它指示一个用于生成函数定义的方案。编译器使用模板为特定类型生成函数定义时，得到的时模板实例（instantiation）。模板并非函数定义，但某一类型的模板实例时函数定义，这种实例化方式被称为隐式实例化。

最初，编译器只能通过隐式实例化，来使用模板生成函数定义，但现在C++还允许显式实例化（explicit instantiation），这意味着可以直接命令编译器创建特定的实例。其语法是，声明所需的种类——用<>符号指示类型，并在声明前加上关键字template：

1	template void Swap<int> (int, int); //explicit instantiation

试图在同一个文件（或转换单元）中使用同一种类型的显式实例和显式具体化将出错。

隐式实例化、显式实例化和显式具体化统称为具体化（specialization），它们的相通之处在于，它们表示的都是使用具体类型的函数定义，而不是通用描述。

示例：

...
template <class T>
void Swap(T &, T &); // 模板原型
template<> void Swap<job>(job &, job&); //显式具体化, job声明同上
int main(void)
{
    template void Swap<char> (char &, char &); //显式实例化
    short a,b;
    ...
    Swap(a,b); //short隐式实例化
    job n,m;
    ...
	Swap(n,m); //job结构显式具体化
	char g, h;
    ...
	Swap(g, h); //char型显式实例化
	...
}

对于函数重载、函数模板和函数模板重载，C++需要（且有）一个定义良好的策略，来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，这个过程称为重载解析（overloading resolution），大致过程如下：

创建候选函数列表。其中包含与被调用函数的名称相同的函数和模板函数。
使用候选函数列表创建可行函数列表。这些都是参数数目正确的函数，为此有一个隐式转换序列，其中包括实参类型与相应的形参类型完全匹配的情况。
确定是否有最佳的可行函数。如果有，则使用它，否则该函数调用出错。
1. 通常从最佳到最差的顺序如下所述：
  1. 完全匹配^[1]，但常规函数优先于模板^[2]
  2. 提升转换（如，char和short自动转换为int，float自动转换为double）
  3. 标准转换（如int转换为char，long转换为double）
  4. 用户定义的转换，如类声明中定义的转换。

如果有多个匹配的原型，则百年一起将无法完成重载解析过程；如果没有最佳的可行函数，编译器将生成一条错误信息。

重载解析将寻找最匹配的函数。如果只存在一个这样的函数，则选择它；如果存在多个这样的函数，但其中只有一个时非模板函数，则选择该函数；如果存在多个适合的函数，且它们都为模板函数，但其中有一个函数比其他函数更具体^[3]，则选择该函数。如果有多个同样合适的非模板函数或模板函数，但没有一个函数比其他函数更具体，则函数调用将是不确定的，因此是错误的；当然如果不存在匹配的函数，也是错误的。

1	decltype(x) y; // make y the same type as x

对于无法预先得知模板返回值，可通过使用关键字decltype和后置返回类型(trailing return type)来创建模板:

template <class T1, class T2>
auto func(T1 x, T2 y) ->decltype(x + y)
{
    ...
	return x + y;
}

^[1]进行完全匹配时，C++允许某些“无关紧要”的转换

^[2]如果两个完全匹配的函数都是模板函数，则较具体^[3]的模板函数优先

^[3]指编译器推断使用哪种类型时执行的转换最少