C++ 虚函数与内联函数的区别

在 C++ 中，虚函数 和 内联函数 有着不同的目的。虚函数通过允许派生类重写基类函数来支持多态性，从而在运行时产生动态行为。它依赖于 vtable（虚函数表）进行函数调用解析，引入了一些运行时开销。相反，内联函数的设计目的是通过在编译时将函数代码扩展到每个调用点来消除函数调用开销。对于小型、频繁使用的函数，它可以提高性能，但如果过度使用，可能会增加 二进制 文件的大小。因此，虚函数侧重于继承的灵活性，而内联函数侧重于简单操作的效率。在本文中，我们将讨论 C++ 中虚函数和内联函数之间的区别。在讨论它们的区别之前，我们必须先了解 虚函数 和 内联函数 的语法、特性、优缺点和示例。

什么是虚函数？

虚函数，也称为虚方法，是 C++ 中一种在基类（或父类）中声明的成员函数，旨在被派生类（或子类）重新定义（重写）。当一个函数在基类中被指定为虚函数时，C++ 就可以提供运行时多态性，允许程序在运行时而不是编译时选择调用哪个函数。这种能力对于实现基于实际对象类型的动态行为至关重要，即使通过基类指针或引用与对象交互。

语法

它具有以下语法：

• Virtual： 一个 关键字，指示一个函数是虚函数，允许派生类重写它，从而实现 多态性。
• Return-type： 定义函数返回值的数​​据类型（例如，int、void）。
• Function-name： 定义函数名称，该名称用于在代码中调用它。
• Parameters： 一个可选的输入列表，函数接收这些输入，使其能够处理各种数据。

特点

C++ 中虚函数的几个关键特性如下：

• 运行时多态性： 虚函数支持动态分派（也称为运行时多态性），它允许使用基类指针或引用调用派生类函数。它使我们能够根据实际的对象类型在运行时确定要调用的正确函数。
• 使用 Virtual 关键字声明： virtual 关键字用于在基类中声明虚函数。当派生类重写此函数时，可以使用 override 关键字提供清晰的声明，但这并非必需。
• 虚函数表 (vtable)： 编译器会为使用虚函数的类创建一个虚函数表（vtable）。每个类对象都包含一个指向 vtable 的指针，该表存储了虚函数的地址。这个表允许在执行期间动态查找函数的地址。
• 延迟绑定： 与普通函数相比，虚函数是在运行时（延迟绑定）而不是在编译时解析的。这种绑定方法有助于选择派生类中适当的重写函数。

优点

C++ 中虚函数的几个优点如下：

1. 支持多态性： 虚函数是运行时多态性所必需的，它允许相同的函数调用根据实际的对象类型执行不同的代码。它提高了代码的灵活性，并允许设计通用、可重用的代码。
2. 促进可扩展性： 虚函数允许派生类重写基类函数，从而使设计更加灵活和可扩展。基类定义通用接口，而派生类提供特定实现。
3. 更简洁的代码和更好的抽象： 虚函数允许基类充当抽象接口或模板，而派生类处理特定的行为。因此，代码变得更有条理和模块化。
4. 鼓励代码重用： 虚函数允许将共享功能存储在基类中，而将特定行为存储在派生类中。它最大限度地减少了代码重复，并提高了可重用性。

缺点

C++ 中虚函数的几个缺点如下：

1. 性能开销： 虚函数存在轻微的运行时开销，因为它们依赖 vtable 进行动态分派。对虚函数的每次调用都需要查找 vtable，这比直接调用普通函数要慢。
2. 内存开销： 包含虚函数的类中的每个对象都包含一个指向 vtable 的额外指针。此外，vtable 占用内存，尤其是在包含大量虚函数和复杂继承层次结构的类中。
3. 大型继承结构中的复杂性： 虚函数可能会增加大型继承结构的复杂性。管理哪些函数被重写以及在哪里重写可能令人困惑，尤其是在深度嵌套的继承结构中。
4. 不能内联： 虚函数不能内联，因为编译器无法在编译时解析它们。这可能会影响性能，尤其是对于可以从内联中受益的函数（例如，小型、频繁调用的函数）。

示例

让我们用一个例子来说明 C++ 中的虚函数。

输出

 
Dog barks
Cat meows   

说明

此 C++ 代码演示了带有虚函数的运行时多态性。Animal 类包含一个虚函数 sound()，派生类可以重写该函数。Dog 和 Cat 继承 自 Animal 并重写 sound() 方法以提供特定实现，例如“Dog barks”和“Cat meows”。makeSound() 函数接收一个 Animal 对象的引用并调用 sound()，后者根据运行时对象类型调用相应的函数。这使得 makeSound(dog) 和 makeSound(cat) 可以产生相应的声音。

什么是内联函数？

在 C++ 中，内联函数旨在帮助减少与函数调用相关的开销，特别是对于短小且频繁使用的函数。当一个函数被声明为内联时，编译器会在每次调用该函数的地方尝试将函数的代码内联展开，而不是像通常那样进行函数调用。这意味着完整的函数代码会直接替换到每个调用点，从而消除了需要将参数压入堆栈并跳转到不同内存位置的函数调用机制。这种替换发生在构建时而不是运行时。

语法

它具有以下语法：

• Inline： 它建议编译器在每个调用点展开函数代码以减少调用开销。
• Return-type： 它指示函数返回值的数​​据类型（例如，int 或 float）。
• Function-name： 定义函数的标识符，用于在代码中调用该函数。
• Parameters： 一个可选的输入列表，函数接收这些输入以处理可变数据。
• { // function code }： 它包含函数操作和 return 语句的代码。

特点

C++ 中内联函数的几个关键特性如下：

1. 减少函数调用开销： 内联函数通过将函数代码直接插入到调用点来避免传统的函数调用过程。它减少了调用和返回函数所需的时间，提高了速度，尤其对于小型函数。
2. 编译时展开： 编译器在编译时展开内联函数，用实际的函数代码替换函数调用。这种编译时替换通过消除函数调用的需要，从而实现更快的运行时执行。
3. 语法和用法： 要声明一个内联函数，请在函数定义前使用 inline 关键字。它们通常是小型、简单的函数，如 getter、setter 或基本算术函数。
4. 编译器优化控制： "inline" 关键字是一个提示，而不是命令。编译器最终根据函数的大小、复杂性和优化设置来决定是否内联一个函数。这可以减少不必要的代码膨胀，只在必要时进行内联。

优点

C++ 中内联函数的几个优点如下：

1. 减少函数调用开销： 内联函数避免了典型的函数调用过程，该过程涉及将参数压入堆栈并跳转到函数的地址。它减少了调用函数相关的开销，从而加快了小型函数的代码执行速度。
2. 提高性能： 当函数被内联时，编译器可以直接对内联代码进行优化。这可以实现更快的代码执行，因为函数代码被注入到每个调用点，从而提供了单独函数无法实现的潜在优化机会。
3. 提高缓存效率： 由于内联函数避免了函数调用的跳转，它们可以提高指令缓存的效率。内联代码可以使 CPU 具有更好的缓存局部性，这在某些情况下可能有助于提高性能。
4. 在不影响性能的情况下提高代码可读性： 内联函数允许您编写清晰、组织良好的代码，而不会产生函数调用带来的性能损失，这对于频繁使用的小型函数尤其有用。它可以帮助使代码更具可读性和模块化。

缺点

C++ 中内联函数的几个缺点如下：

1. 代码膨胀（二进制文件大小增加）： 内联函数会导致代码在每个调用点进行复制。对于大型或频繁调用的函数，这会急剧增加二进制文件的大小，导致代码膨胀。代码大小的增加可能会由于缓存效率降低而对整体性能产生负面影响。
2. 大型函数的性能下降： 当内联大型函数时，增加的代码大小可能会影响缓存性能和整体速度。大型内联函数可能会减慢应用程序的速度，从而抵消消除函数调用开销带来的任何好处。
3. 编译器限制： inline 关键字只是对编译器的建议，编译器可能会根据函数的复杂性、大小或优化设置而忽略它。因此，我们无法完全控制函数是否被内联。
4. 不适用于递归： 内联函数不能有效地与递归函数一起使用。由于递归函数的每次调用都依赖于前一次调用，因此内联递归函数会导致无限次内联尝试。因此，大多数编译器会忽略递归函数的 inline 指令。

示例

让我们用一个例子来说明 C++ 中的内联函数。

输出

 
The sum is: 7   

说明

此 C++ 代码演示了使用内联函数进行加法。addition 函数被指定为内联，这意味着编译器将在每个调用点尝试用实际代码 a + b 替换函数调用，以减少函数调用开销。在 main() 函数中，调用 addition(3, 4)，但由于内联，编译器将其替换为 3 + 4，然后立即进行计算。结果存储在 s 中并显示在控制台上，为“The sum is: 7”。这种方法提高了加法等简单操作的性能。

C++ 中虚函数和内联函数之间的主要区别

虚函数 和 内联函数 在 C++ 中存在一些区别。一些主要区别如下：

结论

总之，C++ 中的虚函数和内联函数服务于不同的目标，并在不同的场景中使用。虚函数支持运行时多态性，允许派生类重写基类方法，并促进继承层次结构中的动态行为。它们依赖于虚函数表，这会增加一些运行时开销，但对于灵活的面向对象设计是必需的。另一方面，内联函数旨在通过编译时代码展开来降低函数调用开销，从而提高效率。内联函数最适合小型、频繁调用的函数，因为它们可以提高效率，但如果使用过度，可能会增加二进制文件的大小。它们各自服务于独特目的，根据特定需求优化 C++ 代码。