C++函数基础知识

为什么函数参数需要指针

  • 提高传输效率：直接传地址而不需要进行原类型下的值拷贝，如果原类型很大，这将是很耗时的；而地址的拷贝总是整数
  • 利用函数的副作用：可能需要改变原内存中的数据，利用指针才能修改
  • 如果确定不想修改地址中的值，可以传指针常量

函数指针

指向函数的指针

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

double f(int);
int g();

int main() {
    // 声明函数指针
    double (*fp)(int) = &f; // 解释：声明一个函数指针，返回值是double，带一个参数int
    int (*gp)() = &g; // 声明一个函数指针，返回值是int，不需要参数；*gp外面的()用来改变优先级，后面的()表示在描述参数，两者配合告诉编译器在声明函数指针
    cout << (*fp)(1) << endl; // 2.2
    cout << (*gp)() << endl; // 0
}

double f(int a) {
    return a + 1.2;
}

int g() {
    return 0;
}

运行时环境

函数声明原则（函数原型）

  • 先声明后使用
  • 声明时可以不给出定义，定义的位置随意（但要在声明后），如果不在同一文件需要引入或扩展声明告诉编译器声明的位置
  • 属于statement
  • 声明参数时可以只声明类型而不写形参
  • 编译器负责检查定义时的形参类型和声明是否一致
double f(int, int, double);

函数定义原则

  • 定义不允许嵌套（不像python可以def里面套def）
  • 先声明后使用
  • 声明之后要给出定义，可以立刻给出，也可以之后给出
double f(int a, int b, double c) {
    return a * b * c;
}

函数的执行机制

  1. 建立被调用函数的栈空间
  2. 参数传递
    • 值传递
    • or 引用传递
  3. 保存调用函数的运行状态
  4. 将控制权转交被调函数

函数调用

main函数调用其他函数，函数调用在内存中以栈帧的形式存在

函数栈帧的基地址在寄存器ebp中，栈顶指针（即栈中当前活动的内存位置）在寄存器esp中

栈帧的结构：

  • 函数调用前：EBP 保存的是调用者的栈帧基地址。
  • 函数调用时：新函数的 EBP 被保存到栈中，然后 EBP 被更新为当前函数的栈帧基地址。
  • 函数返回时：栈恢复到调用函数的状态，EBP 恢复为调用者的栈帧基地址。

栈操作：

  • 函数调用时：ESP 会减小，因为函数的返回地址和参数会被推入栈中。
  • 函数返回时：ESP 会增大，栈空间会被清理，恢复到调用函数的状态。

参数传递

  • 传值
  • 传引用

传值

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int r = add(1, 2);
}

传引用

int add(int& a, int& b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int a = 1, b = 2;
    int r = add(a, b); // 传引用必须要传一个左值进去
}

调用约定

  • __cdecl
  • __stdcall
  • __fastcall
  • __thiscal

__cdecl、__stdcall、__fastcall 和 __thiscall 都是 调用约定（calling conventions）的一部分，定义了函数调用时，如何传递参数、返回值，以及函数如何清理栈等细节。不同的调用约定通常影响程序的性能和兼容性，并且在不同的平台和编译器之间可能会有所不同。

特性 __cdecl __stdcall __fastcall __thiscall
传递参数的顺序 从右到左 从右到左 前两个通过寄存器，剩余通过栈 this 通过 ECX，其他参数通过栈
堆栈清理 调用者负责清理 被调用者负责清理 调用者负责清理 调用者负责清理
返回值传递 通过 EAX 通过 EAX 通过 EAX 通过 EAX
常见应用 C/C++ 中常用函数 Windows API 函数 高性能函数调用，少量参数的优化 C++ 成员函数（默认）

其它少见的传参方式（应该不重要）

  • 按名称传递 call by name
  • 按值结果传递 call by value-result

按名称传递

Call by Name 是一个较为少见的参数传递方式，最初由 Algol 60 等编程语言引入。它的特点是：

  • 参数传递：函数不会直接传递参数的值，而是将表达式（即函数参数）作为一个代码片段传递给函数。每次在函数体内使用该参数时，都会重新计算该参数的值。
  • 计算延迟：当你使用这个参数时，它将被重新求值，即使函数在多次调用中使用了相同的参数。

C++并不支持按名称传递，想要使用就需要利用宏

#define CALL_BY_NAME(x) (x * x) // 传递一个表达式

void func(int x) {
    std::cout << x << std::endl;
}

int main() {
    int a = 3;
    func(CALL_BY_NAME(a)); // 相当于 func(a * a)
}

按值结果传递

Call by Value-Result（也称为 Call by Copy-Return）是一个更少见的传递方式，通常不直接出现在 C++ 中。它结合了 Call by Value 和 Call by Reference 的特点：

  • 传递方式：在函数调用开始时，实参的值会被复制到函数的形参中；然后，函数执行时，形参会根据需要修改，但是在函数结束时，形参的值会复制回实参。
  • 特点：这种方式可以理解为，首先按值传递实参，然后按结果传递回实参，即返回值会被赋给调用者的变量。

C++模拟call by value-result：

void func(int x) {
    x = x + 1; // 这里修改了参数
}

int main() {
    int y = 5;
    y = func(y); // 在函数返回时，y 的值会根据 x 的值更新
    // 在真正的按值结果传递中，直接func(y)后y的结果就被形参x更新了（有点类似传引用）
}

函数重载

也是一种多态的体现

原则

  • 函数名相同但参数列表不同，参数列表不同表现为（个数、类型、顺序至少其一有区别）
  • 切记不看返回值（因为返回值不是函数调用处必须使用的，函数调用时可能忽略返回值，那编译器就不知道该调哪个函数了）

匹配规则

  • 严格匹配
  • 若需要类型转换：
    • 优先内置转换
    • 其次用户定义

详细的匹配规则见 C++面向对象编程进阶II

实现原理

编译器维护符号表

默认参数

C++支持在函数声明时给出默认参数值，且若有，必须在声明时给出

与python 一样，默认参数优先放在参数列表中靠右位置，且不能间断（即不能中间插个普通参数）

可以匿名给出参数默认值，即声明时还是不必须写形参

默认参数可能会带来歧义！！！

示例:

void f(int); // 没有默认参数的函数

void f(int, int=2); // 带默认参数的函数，匿名给出默认参数，但在具体调用时因为可以不写第二个参数，导致与上面那个函数产生歧义
// 即f(1)该调用哪个？
// 上述代码编译错误

正确例子：

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int f(int, int=2);

int main() {
    cout << f(1) << endl; // 3
    cout << f(1, 3) << endl;  // 4
}

int f(int a, int b) {
    // 若调用时不传参数b，则默认b = 2
    return a + b;
}

内联函数

inline关键字用于声明匿名函数

编译器如何实现内联函数

与编译器优化中的函数内联（在函数调用的地方将函数展开，用函数定义的代码替换函数调用）相同，编译器将为inline函数创建一段代码，在调用点以相应的代码替换

因此被inline修饰的函数在编译过程中就已经被替换成具体的代码了，而不再会发生函数调用，那为什么还要用内联函数？

目的

  • 提高可读性：编译器眼中没有函数但程序员不是，可以提高代码的可读性
  • 提高效率：编译器不再需要进行函数调用，而是直接顺序地执行等价代码，避免了函数调用的时间开销

限制

  • 内联函数不能是递归的
  • 不能是函数指针
inline int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int c = add(1, 2);
// 编译后变为int c = 1 + 2;

使用场景

适合于频率高、简单的小段代码

事实上即使不使用inline关键字，在开启O1/O2/O3或指定函数内联的编译器优化的情况下，编译器自己也会将源代码中一些简短的函数内联优化掉，从而避免频繁的函数调用。

避免滥用inline

经过计算机组成原理课程的学习，我们知道计算机硬件具有时空局部性的特点，即连续时间内更可能访问连续的空间（比如遍历数组），而大量inline的使用可能会导致代码体积的增大，使得代码本身占的空间变大，可能会导致病态的换页，降低指令快取装置的命中率。

缺点总结：

  • 增大目标代码
  • 病态的换页
  • 降低指令快取装置的命中率

(•‿•)