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。
重载和内联肯定有其好处才会被 C++语言采纳，但是不可以当成免费的午餐而滥用。
本章将探究重载和内联的优点与局限性，说明什么情况下应该采用、不该采用以及要警惕错用。
函数重载的概念
重载的起源
自然语言中，一个词可以有许多不同的含义，即该词被重载了。人们可以通过上下文来判断该词到底是哪种含义。“词的重载”可以使语言更加简练。例如“吃饭”的含义十分广泛，人们没有必要每次非得说清楚具体吃什么不可。别迂腐得象孔已己，说茴香豆的茴字有四种写法。
在 C++程序中，可以将语义、功能相似的几个函数用同一个名字表示，即函数重载。
这样便于记忆，提高了函数的易用性，这是 C++语言采用重载机制的一个理由。例如示例 8-1-1 中的函数 EatBeef,EatFish,EatChicken 可以用同一个函数名 Eat 表示，用不同类型的参数加以区别。
void EatBeef(…); // 可以改为 void Eat(Beef …);
void EatFish(…); // 可以改为 void Eat(Fish …);
void EatChicken(…); // 可以改为 void Eat(Chicken …);
示例 8-1-1 重载函数 Eat
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。
8.1.2 重载是如何实现的？
几个同名的重载函数仍然是不同的函数，它们是如何区分的呢？我们自然想到函数接口的两个要素：参数与返回值。
如果同名函数的参数不同（包括类型、顺序不同），那么容易区别出它们是不同的函数。
如果同名函数仅仅是返回值类型不同，有时可以区分，有时却不能。例如：
void Function(void);
int Function (void);
上述两个函数，第一个没有返回值，第二个的返回值是 int 类型。如果这样调用函数：
int x = Function ();
则可以判断出 Function 是第二个函数。问题是在 C++/C 程序中，我们可以忽略函数的
返回值。在这种情况下，编译器和程序员都不知道哪个 Function 函数被调用。
所以只能靠参数而不能靠返回值类型的不同来区分重载函数。编译器根据参数为每个重载函数产生不同的内部标识符。例如编译器为示例 8-1-1 中的三个 Eat 函数产生象_eat_beef、_eat_fish、_eat_chicken 之类的内部标识符（不同的编译器可能产生不同风格的内部标识符）。
如果 C++程序要调用已经被编译后的 C 函数，该怎么办？
假设某个 C 函数的声明如下：
void foo(int x, int y);
该函数被 C 编译器编译后在库中的名字为_foo，而 C++编译器则会产生像_foo_int_int
之类的名字用来支持函数重载和类型安全连接。由于编译后的名字不同，C++程序不能
直接调用 C 函数。C++提供了一个 C 连接交换指定符号 extern“C”来解决这个问题。
例如：
extern “C”
{
void foo(int x, int y);
… // 其它函数
}
或者写成
extern “C”
{
#include “myheader.h”
… // 其它 C 头文件
}
这就告诉 C++编译译器，函数 foo 是个 C 连接，应该到库中找名字_foo 而不是找_foo_int_int。C++编译器开发商已经对 C 标准库的头文件作了 extern“C”处理，所以我们可以用＃include 直接引用这些头文件。
注意并不是两个函数的名字相同就能构成重载。全局函数和类的成员函数同名不算重载，因为函数的作用域不同。例如：
void Print(…); // 全局函数
class A
{…
void Print(…); // 成员函数
}
不论两个 Print 函数的参数是否不同，如果类的某个成员函数要调用全局函数Print，为了与成员函数 Print 区别，全局函数被调用时应加‘::’标志。如
::Print(…); // 表示 Print 是全局函数而非成员函数
8.1.3 当心隐式类型转换导致重载函数产生二义性
示例 8-1-3 中，第一个 output 函数的参数是 int 类型，第二个 output 函数的参数是 float 类型。由于数字本身没有类型，将数字当作参数时将自动进行类型转换（称为隐式类型转换）。语句 output(0.5)将产生编译错误，因为编译器不知道该将 0.5 转换成int 还是 float 类型的参数。隐式类型转换在很多地方可以简化程序的书写，但是也可能留下隐患。
# include <IOStream.h>
void output( int x); // 函数声明
void output( float x); // 函数声明
void output( int x)
{
cout << " output int " << x << endl ;
}
void output( float x)
{
cout << " output float " << x << endl ;
}
void main(void)
{
int x = 1;
float y = 1.0;
output(x); // output int 1
output(y); // output float 1
output(1); // output int 1
// output(0.5); // error! ambiguous call, 因为自动类型转换
output(int(0.5)); // output int 0
output(float(0.5)); // output float 0.5
}
示例 8-1-3 隐式类型转换导致重载函数产生二义性
8.2 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。
8.2.1 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。
示例 8-2-1 中，函数 Base::f(int)与 Base::f(float)相互重载，而 Base::g(void)
被 Derived::g(void)覆盖。
#include <iostream.h>
class Base
{
public:
void f(int x){ cout << "Base::f(int) " << x << endl; }
void f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; }
virtual void g(void){ cout << "Base::g(void)" << endl;}
};
class Derived : public Base
{
public:
virtual void g(void){ cout << "Derived::g(void)" << endl;}
};
void main(void)
{
Derived d;
Base *pb = &d;
pb->f(42); // Base::f(int) 42
pb->f(3.14f); // Base::f(float) 3.14
pb->g(); // Derived::g(void)
}
示例 8-2-1 成员函数的重载和覆盖
8.2.2 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）。
示例程序 8-2-2（a）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。
#include <iostream.h>
class Base
{
public:
virtual void 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:
virtual void 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 8-2-2（a）成员函数的重载、覆盖和隐藏
据作者考察，很多 C++程序员没有意识到有“隐藏”这回事。由于认识不够深刻，
“隐藏”的发生可谓神出鬼没，常常产生令人迷惑的结果。
示例 8-2-2（b）中，bp 和 dp 指向同一地址，按理说运行结果应该是相同的，可事
实并非这样。
void main(void)
{
Derived d;
Base *pb = &d;
Derived *pd = &d;
// Good : behavior depends solely on type of the object
pb->f(3.14f); // Derived::f(float) 3.14
pd->f(3.14f); // Derived::f(float) 3.14
// Bad : behavior depends on type of the pointer
pb->g(3.14f); // Base::g(float) 3.14
pd->g(3.14f); // Derived::g(int) 3 (surprise!)
// Bad : behavior depends on type of the pointer
pb->h(3.14f); // Base::h(float) 3.14 (surprise!)
pd->h(3.14f); // Derived::h(float) 3.14
}
示例 8-2-2（b） 重载、覆盖和隐藏的比较
8.2.3 摆脱隐藏
隐藏规则引起了不少麻烦。示例 8-2-3 程序中，语句 pd->f(10)的本意是想调用函
数 Base::f(int)，但是 Base::f(int)不幸被 Derived::f(char *)隐藏了。由于数字 10
不能被隐式地转化为字符串，所以在编译时出错。
class Base
{
public:
void f(int x);
};
class Derived : public Base
{
public:
void f(char *str);
};
void Test(void)
{
Derived *pd = new Derived;
pd->f(10); // error
}
示例 8-2-3 由于隐藏而导致错误
从示例 8-2-3 看来，隐藏规则似乎很愚蠢。但是隐藏规则至少有两个存在的理由：
写语句 pd->f(10)的人可能真的想调用 Derived::f(char *)函数，只是他误将参数
写错了。有了隐藏规则，编译器就可以明确指出错误，这未必不是好事。否则，编
译器会静悄悄地将错就错，程序员将很难发现这个错误，流下祸根。
假如类 Derived 有多个基类（多重继承），有时搞不清楚哪些基类定义了函数 f。如
果没有隐藏规则，那么 pd->f(10)可能会调用一个出乎意料的基类函数 f。尽管隐
藏规则看起来不怎么有道理，但它的确能消灭这些意外。
示例 8-2-3 中，如果语句 pd->f(10)一定要调用函数 Base::f(int)，那么将类
Derived 修改为如下即可。
class Derived : public Base
{
public:
void f(char *str);
void f(int x) { Base::f(x); }
};
8.3 参数的缺省值
有一些参数的值在每次函数调用时都相同，书写这样的语句会使人厌烦。C++语言
采用参数的缺省值使书写变得简洁（在编译时，缺省值由编译器自动插入）。
参数缺省值的使用规则：
z 【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。
z 【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);
要注意，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。所以我们只能适当地使用参数的缺省值，要防止使用不当产生负面效果。示例 8-3-2 中，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。
#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 call
output(x,y); // output int 1 and float 0.5
}
示例 8-3-2 参数的缺省值将导致重载函数产生二义性
8.4 运算符重载
8.4.1 概念
在 C++语言中，可以用关键字 operator 加上运算符来表示函数，叫做运算符重载。
例如两个复数相加函数：
Complex Add(const Complex &a, const Complex &b);
可以用运算符重载来表示：
Complex operator +(const Complex &a, const Complex &b);
运算符与普通函数在调用时的不同之处是：对于普通函数，参数出现在圆括号内；
而对于运算符，参数出现在其左、右侧。例如
Complex a, b, c;
…
c = Add(a, b); // 用普通函数
c = a + b; // 用运算符 +
如果运算符被重载为全局函数，那么只有一个参数的运算符叫做一元运算符，有两
个参数的运算符叫做二元运算符。
如果运算符被重载为类的成员函数，那么一元运算符没有参数，二元运算符只有一
个右侧参数，因为对象自己成了左侧参数。
从语法上讲，运算符既可以定义为全局函数，也可以定义为成员函数。文献[Murray ,
p44-p47]对此问题作了较多的阐述，并总结了表 8-4-1 的规则。
运算符
规则
所有的一元运算符
建议重载为成员函数
= () [] ->
只能重载为成员函数
+= -= /= *= &= |= ~= %= >>= <<=
建议重载为成员函数
所有其它运算符
建议重载为全局函数
表 8-4-1 运算符的重载规则
由于 C++语言支持函数重载，才能将运算符当成函数来用，C 语言就不行。我们要以平常心来对待运算符重载：
（1）不要过分担心自己不会用，它的本质仍然是程序员们熟悉的函数。
（2）不要过分热心地使用，如果它不能使代码变得更加易读易写，那就别用，否则会自找麻烦。
8.4.2 不能被重载的运算符
在 C++运算符集合中，有一些运算符是不允许被重载的。这种限制是出于安全方面的考虑，可防止错误和混乱。
（1）不能改变 C++内部数据类型（如 int,float 等）的运算符。
（2）不能重载‘.’，因为‘.’在类中对任何成员都有意义，已经成为标准用法。
（3）不能重载目前 C++运算符集合中没有的符号，如#,@,$等。原因有两点，一是难以理解，二是难以确定优先级。
（4）对已经存在的运算符进行重载时，不能改变优先级规则，否则将引起混乱。
8.5 函数内联
8.5.1 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”）
8.5.2 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)
{
…
}
8.5.3 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）。
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