C语言陷阱与技巧第2节，inline函数介绍，demo详解

打开 Linux 内核源代码，会发现内核在定义C语言函数时，有很多都带有 “inline”关键字，请看下图，那么这个关键字有什么作用呢？

inline 关键字的作用

在C语言程序开发中，inline 一般用于定义函数，inline 函数也被称作“内联函数”，C99 和 GNU C 均支持内联函数。那么在C语言中，内联函数和普通函数有什么不同呢？其实，从 inline 这个名字就应该能看出一点它的性质了——内联函数会在它被调用的位置上展开，这一点表现的和 define 宏定义是非常相似的。

将被调用的函数代码展开，操作系统就无需再在为被调用函数做申请栈帧和回收栈帧的工作，而且，由于编译器会把被调用的函数代码和函数本身放在一起优化，所以也有进一步优化C语言代码，提升效率的可能。

每发生一次函数调用，操作系统就要在程序的栈空间申请一块内存区域（栈帧），供被调用函数使用，被调用函数执行完毕后，操作系统还要回收这些内存。

不过，天下没有免费的午餐，C语言程序要实现内联函数的上述特性是要付出一定的代价的。普通函数只需要编译出一份，就可以被所有其他函数调用，而内联函数没有严格意义上的“调用”，它只是将自身的代码展开到被调用处的，这么做无疑会使整个C语言代码变长，也就意味着占用更多的内存空间，以及更多的指令缓存。

显然，如果滥用内联函数，cpu 的指令缓存肯定是不够用的，这会导致 cpu 缓存命中率降低，反而可能会降低整个C语言程序的效率。因此，建议把那些对时间要求比较高，且C语言代码长度比较短的函数定义为内联函数。如果在C语言程序开发中的某个函数比较大，又会被反复调用，并且没有特别的时间限制，是不适合把它做成内联函数的。

在 Linux 内核中，内联函数常常使用 static 修饰，例如：

static inline void set_value(unsigned int val)
{
    ...
}

需要注意的是，内联函数必须在使用之前就定义好，否则编译器没法把这个函数展开。Linux 内核中经常像下面这样，将内联函数放在调用它的函数前面，请看C语言代码：

static inline void set_value(unsigned int val)
{
    ...
}
int test_inline()
{
    set_value(3);
    ...
}

所以，Linux 内核常常把内联函数定义在头文件里，这样在其他C语言代码文件开头包含头文件时，能确保内联函数在文件的最开始，无需再写额外的声明语句。

这也解释了为什么 Linux 内核为何常常使用 static 修饰内联函数，因为可以避免函数的重复定义。

前文提到内联函数的表现有些像 define 宏定义，但是为了类型安全和易读性，应优先使用内联函数而不是复杂的宏。下面通过实例进一步分析 inline 内联函数的特性。

inline内联函数的“展开代码”是什么意思？

使用过 define 写 C语言代码的朋友应该都知道，编译器在编译 C语言代码时，会将 define 定义的宏展开，而不是像普通函数那样使用 call 指令调用，例如下面这段C语言代码：

#include <stdio.h>

#define     d_add(a, b)     ((a)+(b))
int f_add(int a, int b)
{
     return a+b;
}
int main()
{
     int a = d_add(1, 2);
     int b = f_add(1, 2);

     return 0;
}

使用 gcc -E 编译这段C语言代码，能够得到预处理后的代码如下，显然 define 定义的宏被展开了，请看：

使用 gcc -g 命令编译C语言代码，得到可执行文件，然后调用 objdump 命令查看汇编代码，得到如下结果：

# gcc -g t1.c 
# objdump -dS a.out 

从 f_add() 函数的汇编代码也可以看出，程序首先将 2 个参数赋值给寄存器，然后使用 call 指令调用 f_add() 函数。而宏定义 d_add() 就简单了，只有一行汇编代码，这种情况下，使用 define 宏定义显然效率更高。不过，宏定义没有参数的类型检查，使用起来不太安全，好在C语言还有 inline 函数，下面再定义一个 inline 函数，请看C语言代码如下：

static inline int i_add(int a, int b)
{
     return a+b;
}

在 main() 函数中使用 gcc -E 命令查看添加 inline 函数后的C语言代码预处理结果，如下：

可以看出，在预处理阶段，inline 函数并没有像 define 宏那样展开。现在使用 gcc -g 命令编译得到可执行文件，然后使用 objdump 查看汇编代码，如下：

从汇编代码可以看出，inline 函数似乎并没有起到作用，i_add() 函数和 f_add() 函数的表现并没有什么不同，继续往上查看，发现编译器也将 i_add() 函数的汇编代码生成了，这无疑是将 i_add() 函数当作普通函数使用了：

static inline int i_add(int a, int b)
{
  400501:   55                      push   %rbp
  400502:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
  400505:   89 7d fc                mov    %edi,-0x4(%rbp)
  400508:   89 75 f8                mov    %esi,-0x8(%rbp)
    return a+b;
  40050b:   8b 45 f8                mov    -0x8(%rbp),%eax
  40050e:   8b 55 fc                mov    -0x4(%rbp),%edx
  400511:   01 d0                   add    %edx,%eax
}
  400513:   5d                      pop    %rbp
  400514:   c3                      retq

怎么回事？不是说 inline 函数的表现和 define 宏相似，会将函数代码展开吗？其实，inline 只是建议编译器这么做，编译器究竟会不会这么做就不一定了。这与编译器的优化级别相关，请看下图：

gcc 的 -O 选项可以指定优化级别，我们上面编译程序时没有使用 -O 选项，因此编译器执行的是默认的 -O0，也即无优化编译。那能否在 -O0 优化级别也使用 inline 函数的特性呢？当然是可以的，只需要在定义 inline 函数时，添加 __attribute__((always_inline)) 即可，例如：

static __attribute__((always_inline)) inline int i_add(int a, int b)
{
     return a+b;
}

现在再来编译C语言程序并查看汇编代码，得到如下结果：

这种情况下，编译器并没有为 i_add() 函数生成响应的汇编代码。虽然 inline 函数在预处理阶段没有像 define 宏定义那样展开，但是在生成汇编代码阶段展开了，而且参与了调用它的代码部分的优化，这显然会让整个C语言程序的效率提高。

inline 函数虽然表现上很像 define 宏定义，但是却并不能完全取代 define 宏定义，这一点在我之后的文章里会讨论，敬请关注。

在 C语言程序开发中，建议把那些对时间要求比较高，且C语言代码长度比较短的函数定义为 inline 函数，这么做常常可以提升程序的效率。在默认的 -O0 编译优化项不能确保 inline 一定起作用，但是可以添加添加 __attribute__((always_inline))强制编译器对 inline 函数做相应的处理。因为 inline 函数会将自己展开，所以编译器通常不会再为 inline 生成汇编代码，不过，如果是通过函数指针的形式调用 inline 函数，编译器为了获得 inline 函数的地址，仍然会为其生成汇编代码的。