inline 真的没用吗？

经过相关的查询、讨论和实验，我得出了以下结论。

inline 的双重语义

inline 函数具有以下的两种语义：

允许函数在多个编译单元中重定义（不会导致链接错误）。
建议编译器进行内联优化。

实际上，C++ 标准已经不再承认“建议内联优化”的语义，并且实际上，编译器通常也不会听取这个建议。

尽管标准是这么说，但是很多情况下我们会发现给小函数加上 inline 关键字，仍然可以大幅提升调用速度。似乎标准说的话在“骗人”。

其实并非如此，接下来我讲一下自己的理解。

-fPIC

根据相关公示，洛谷启用了一个名为 -fPIC 的编译选项。

这个编译选项要求编译器生成“位置无关”的代码来提升安全性，同时使得外部链接的函数（普通函数）可以被运行时替换。这需要通过一种名为 PLT 的机制来支持。

具体来讲，需要先记录对应函数的真实地址，每一次函数调用都需要替换为先获取真实地址，再进行寻址和调用。这也同时让编译器无法进行内联优化。

例如以下代码：

CPP

auto f(int x) -> int {
    return x - 1;
}

auto g(int x) -> int {
    return f(x) - 1;
}

在开启 -fPIC 编译选项之后，编译结果如下：

ASM

f(int):
        lea     eax, -1[rdi]
        ret
g(int):
        sub     rsp, 8
        call    f(int)@PLT
        add     rsp, 8
        sub     eax, 1
        ret

即使是这样简单的函数，也进行了一次函数调用。而没有这个编译选项，编译结果如下：

ASM

f(int):
        lea     eax, [rdi-1]
        ret
g(int):
        lea     eax, [rdi-2]
        ret

这就很符合直觉了，所以我认为，-fPIC 是导致编译器内联优化失效的“罪魁祸首”。这甚至还会影响到全局变量和数组的访问效率，因为多了一次间接寻址。

解决方案

为了解决这个性能问题，主要的思路是避免全局函数、变量作为外部链接。有几种大体思路：

static 函数/变量，仅在当前文件中可见，禁止外部链接。
inline 函数，这种函数由于需要允许重定义，属于一种特殊的“弱符号”，也不需要支持相关机制。这里体现的仍然不是 inline 作为“内联建议”的语义。
局部变量，自然不会被链接。但是需要注意，直接包含在命名空间中的变量不属于这个范畴。

具体来讲，可以选择以下几种方案。

显式标注

为全部的全局函数/变量标注 static，函数也可以选择标注 inline。二者效果在开启 O2 优化之后是相同的。

CPP

static int a[10];
inline void f() {}
static int g() { return 0; }

匿名命名空间

不同于普通的具名命名空间，匿名命名空间中的所有元素相当于自动添加了一个 static，仅在当前文件可见。

CPP

namespace {
    int a[10];
    void f() {}
}

// 接下来可以直接使用 f(), a[i] 使用，无需特殊语法

成员函数

类的成员函数会自动添加 inline，和显式添加 inline 的函数具有相同效果。

CPP

class Solution {
    int a[100];
    void f() {}
public:
    void solve() {}
};

int main() {
    Solution s{};  // 自动清零数组
    s.solve();
}

lambda 函数

lambda 函数本质上是一个成员函数，也可以解决这个问题。

希望以上内容可以结束“inline 是否有用”这个争议。——在洛谷的评测环境下确实有用，但是也有其他的替代方案。

inline 真的没用吗？

讨论操作

inline 的双重语义

-fPIC

解决方案

显式标注

匿名命名空间

成员函数

lambda 函数

回复

相关推荐

inline 真的没用吗？