六、C++函数的高级特性

对比于C语言的函数，C++增加了重载（overloaded）、内联（inline）、const和virtual四种新机制。其中重载和内联机制既可用于全局函数也可用于类的成员函数，const与virtual机制仅用于类的成员函数。

C++语言采用重载机制的另一个理由是：类的构造函数需要重载机制。因为C++规定构造函数与类同名（请参见第9章），构造函数只能有一个名字。如果想用几种不同的方法创建对象该怎么办？别无选择，只能用重载机制来实现。所以类可以有多个同名的构造函数。

成员函数的重载、覆盖与隐藏

成员函数的重载、覆盖（override）与隐藏很容易混淆，C++程序员必须要搞清楚概念，否则错误将防不胜防。

重载与覆盖

成员函数被重载的特征：

（1）相同的范围（在同一个类中）；

（2）函数名字相同；

（3）参数不同；

（4）virtual关键字可有可无。

覆盖是指派生类函数覆盖基类函数，特征是：

（1）不同的范围（分别位于派生类与基类）；

（2）函数名字相同；

（3）参数相同；

（4）基类函数必须有virtual关键字。

令人迷惑的隐藏规则

本来仅仅区别重载与覆盖并不算困难，但是C++的隐藏规则使问题复杂性陡然增加。这里“隐藏”是指派生类的函数屏蔽了与其同名的基类函数，规则如下：

（1）如果派生类的函数与基类的函数同名，但是参数不同。此时，不论有无virtual关键字，基类的函数将被隐藏（注意别与重载混淆）。

（2）如果派生类的函数与基类的函数同名，并且参数也相同，但是基类函数没有virtual关键字。此时，基类的函数被隐藏（注意别与覆盖混淆）。

例：

class Base{public:virtualvoid f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; }void g(float x){ cout << "Base::g(float) " << x << endl; }void h(float x){ cout << "Base::h(float) " << x << endl; }};class Derived : public Base{public:virtualvoid f(float x){ cout << "Derived::f(float) " << x << endl; }void g(int x){ cout << "Derived::g(int) " << x << endl; }void h(float x){ cout << "Derived::h(float) " << x << endl; }};

示例程序中：

（1）函数Derived::f(float)覆盖了Base::f(float)。

（2）函数Derived::g(int)隐藏了Base::g(float)，而不是重载。

（3）函数Derived::h(float)隐藏了Base::h(float)，而不是覆盖。

参数的缺省值

参数缺省值的使用规则：

【规则8-3-1】参数缺省值只能出现在函数的声明中，而不能出现在定义体中。

例如：

void Foo(int x=0, int y=0); // 正确，缺省值出现在函数的声明中

void Foo(int x=0, int y=0) // 错误，缺省值出现在函数的定义体中

{

…

}

为什么会这样？我想是有两个原因：一是函数的实现（定义）本来就与参数是否有缺省值无关，所以没有必要让缺省值出现在函数的定义体中。二是参数的缺省值可能会改动，显然修改函数的声明比修改函数的定义要方便。

【规则8-3-2】如果函数有多个参数，参数只能从后向前挨个儿缺省，否则将导致函数调用语句怪模怪样。

正确的示例如下：

void Foo(int x, int y=0, int z=0);

错误的示例如下：

void Foo(int x=0, int y, int z=0);

使用参数的缺省值并没有赋予函数新的功能，仅仅是使书写变得简洁一些。它可能会提高函数的易用性，但是也可能会降低函数的可理解性。不合理地使用参数的缺省值将导致重载函数output产生二义性。

例：

#include <iostream.h>void output( int x);void output( int x, float y=0.0);void output( int x){cout << " output int " << x << endl ;}void output( int x, float y){cout << " output int " << x << " and float " << y << endl ;}void main(void){int x=1;float y=0.5;//output(x);// error! ambiguous calloutput(x,y);// output int 1 and float 0.5}

函数内联

用内联取代宏代码

C++ 语言支持函数内联，其目的是为了提高函数的执行效率（速度）。

在C程序中，可以用宏代码提高执行效率。宏代码本身不是函数，但使用起来象函数。预处理器用复制宏代码的方式代替函数调用，省去了参数压栈、生成汇编语言的CALL调用、返回参数、执行return等过程，从而提高了速度。使用宏代码最大的缺点是容易出错，预处理器在复制宏代码时常常产生意想不到的边际效应。例如

#define MAX(a, b)       (a) > (b) ? (a) : (b)

语句 

result = MAX(i, j) + 2 ;

将被预处理器解释为

result = (i) > (j) ? (i) : (j) + 2 ;

由于运算符‘+’比运算符‘:’的优先级高，所以上述语句并不等价于期望的

result = ( (i) > (j) ? (i) : (j) ) + 2 ;

如果把宏代码改写为

#define MAX(a, b)       ( (a) > (b) ? (a) : (b) )

则可以解决由优先级引起的错误。但是即使使用修改后的宏代码也不是万无一失的，例如语句

result = MAX(i++, j);

将被预处理器解释为

result = (i++) > (j) ? (i++) : (j);

对于C++ 而言，使用宏代码还有另一种缺点：无法操作类的私有数据成员。

让我们看看C++ 的“函数内联”是如何工作的。对于任何内联函数，编译器在符号表里放入函数的声明（包括名字、参数类型、返回值类型）。如果编译器没有发现内联函数存在错误，那么该函数的代码也被放入符号表里。在调用一个内联函数时，编译器首先检查调用是否正确（进行类型安全检查，或者进行自动类型转换，当然对所有的函数都一样）。如果正确，内联函数的代码就会直接替换函数调用，于是省去了函数调用的开销。这个过程与预处理有显著的不同，因为预处理器不能进行类型安全检查，或者进行自动类型转换。假如内联函数是成员函数，对象的地址（this）会被放在合适的地方，这也是预处理器办不到的。

C++ 语言的函数内联机制既具备宏代码的效率，又增加了安全性，而且可以自由操作类的数据成员。所以在C++ 程序中，应该用内联函数取代所有宏代码，“断言assert”恐怕是唯一的例外。assert是仅在Debug版本起作用的宏，它用于检查“不应该”发生的情况。为了不在程序的Debug版本和Release版本引起差别，assert不应该产生任何副作用。如果assert是函数，由于函数调用会引起内存、代码的变动，那么将导致Debug版本与Release版本存在差异。所以assert不是函数，而是宏。（参见6.5节“使用断言”）

内联函数的编程风格

关键字inline必须与函数定义体放在一起才能使函数成为内联，仅将inline放在函数声明前面不起任何作用。如下风格的函数Foo不能成为内联函数：

inline void Foo(int x, int y); // inline仅与函数声明放在一起void Foo(int x, int y){…}

而如下风格的函数Foo则成为内联函数：

void Foo(int x, int y); inline void Foo(int x, int y)// inline与函数定义体放在一起{…}

所以说，inline是一种“用于实现的关键字”，而不是一种“用于声明的关键字”。一般地，用户可以阅读函数的声明，但是看不到函数的定义。尽管在大多数教科书中内联函数的声明、定义体前面都加了inline关键字，但我认为inline不应该出现在函数的声明中。这个细节虽然不会影响函数的功能，但是体现了高质量C++/C程序设计风格的一个基本原则：声明与定义不可混为一谈，用户没有必要、也不应该知道函数是否需要内联。

定义在类声明之中的成员函数将自动地成为内联函数，例如

class A{public:void Foo(int x, int y) { … } // 自动地成为内联函数}

将成员函数的定义体放在类声明之中虽然能带来书写上的方便，但不是一种良好的编程风格，上例应该改成：

// 头文件class A{public:void Foo(int x, int y)； }// 定义文件inline void A::Foo(int x, int y){…}

慎用内联

内联能提高函数的执行效率，为什么不把所有的函数都定义成内联函数？

如果所有的函数都是内联函数，还用得着“内联”这个关键字吗？

内联是以代码膨胀（复制）为代价，仅仅省去了函数调用的开销，从而提高函数的执行效率。如果执行函数体内代码的时间，相比于函数调用的开销较大，那么效率的收获会很少。另一方面，每一处内联函数的调用都要复制代码，将使程序的总代码量增大，消耗更多的内存空间。以下情况不宜使用内联：

（1）如果函数体内的代码比较长，使用内联将导致内存消耗代价较高。

（2）如果函数体内出现循环，那么执行函数体内代码的时间要比函数调用的开销大。

类的构造函数和析构函数容易让人误解成使用内联更有效。要当心构造函数和析构函数可能会隐藏一些行为，如“偷偷地”执行了基类或成员对象的构造函数和析构函数。所以不要随便地将构造函数和析构函数的定义体放在类声明中。

一个好的编译器将会根据函数的定义体，自动地取消不值得的内联（这进一步说明了inline不应该出现在函数的声明中）。