Funzioni incorporate in C ++. Qual e il punto?

Secondo quanto ho letto, il compilatore non è obbligato a sostituire la chiamata di funzione di una funzione inline con il suo corpo, ma lo farà se può. Questo mi ha fatto pensare: perché abbiamo la parola in linea se è così? Perché non rendere tutte le funzioni incorporate per impostazione predefinita e lasciare che il compilatore capisca se può sostituire le chiamate con il corpo della funzione o no?

inlineviene da C; non era una novità di C ++.

Esistono parole chiave C ( registere inline) progettate per consentire al programmatore di fornire assistenza nell'ottimizzazione del codice. Questi sono generalmente ignorati al giorno d'oggi, poiché i compilatori possono fare meglio nell'assegnazione dei registri e decidere quando incorporare le funzioni (in effetti, un compilatore può incorporare o non incorporare una funzione in momenti diversi). La generazione di codice sui processori moderni è molto più complicata rispetto a quelli più deterministici comuni quando Ritchie stava inventando C.

Ciò che la parola significa ora, in C ++, è che può avere più definizioni identiche e deve essere definita in ogni unità di traduzione che la utilizza. (In altre parole, è necessario assicurarsi che possa essere integrato.) È possibile avere una inlinefunzione in un'intestazione senza problemi e le funzioni membro definite in una definizione di classe sono automaticamente efficaci inline.

Inizialmente inlineera un suggerimento molto forte che le chiamate alla funzione dovevano essere integrate.

Ma l'unico effetto garantitoinline è quello di consentire la definizione (efficacemente identica) di una funzione in più unità di traduzione, ad es. Di posizionare la definizione in un file di intestazione.

Al giorno d'oggi, alcuni compilatori sono molto interessati a seguire il suggerimento interno, ad esempio g ++. E alcuni compilatori lo prendono meno sul serio, ad esempio Visual C ++. Ma tutti devono attenersi alla garanzia.

È un peccato che questi due significati - suggerimento di ottimizzazione e quella che potremmo chiamare una definizione scartabile a livello di linker - risiedano con la stessa parola chiave, perché significa che non puoi praticamente avere uno senza l'altro.

È anche un peccato che inline(o meglio, una parola chiave separata sulla definizione scartabile) ¹ non possa essere applicato ai dati .

La necessità di dati scartabili a livello di linker è aumentata man mano che i moduli solo intestazione sono diventati più popolari. Ad esempio, molte sotto-librerie Boost sono solo intestazione.

Per i dati è tuttavia possibile applicare un piccolo trucco con i modelli. Definiscilo in un modello di classe, fornisci un typedefparametro template void(o qualsiasi altra cosa). Questo perché la One Definition Rule fa un'eccezione specifica per i template.

^{Note:
¹ le inlinevariabili saranno supportate in C ++ 17 .}

Perché non rendere tutte le funzioni in linea per impostazione predefinita? Perché è un compromesso di ingegneria. Esistono almeno due tipi di "ottimizzazione": velocizzare il programma e ridurre le dimensioni (footprint di memoria) del programma. L'allineamento generalmente accelera le cose. Elimina l'overhead della chiamata di funzione, evitando di spingere e quindi estrarre i parametri dallo stack. Tuttavia, aumenta anche l'impronta di memoria del programma, poiché ogni chiamata di funzione deve ora essere sostituita con il codice completo della funzione. Per rendere le cose ancora più complicate, ricorda che la CPU memorizza blocchi di memoria utilizzati di frequente in una cache della CPU per un accesso ultra-rapido. Se si ingrandisce abbastanza l'immagine della memoria del programma, il programma non sarà in grado di utilizzare la cache in modo efficiente e, nel peggiore dei casi, l'allineamento potrebbe effettivamente rallentare il programma.

Per capire "in linea" devi capire la storia e com'era la vita 20 (e 30) anni fa.

Stavamo scrivendo codice su computer che avevano poca memoria, quindi non era possibile per un compilatore elaborare tutto il codice che costituiva un programma in una volta sola. Anche il compilatore è stato molto lento, quindi non volevi ricompilare il codice che non era cambiato - prendere oltre 24 ore (su un computer che costava più di un'auto di fascia alta) per ricompilare tutto il codice era normale per alcuni progetti Lavorato su.

Pertanto ogni file di codice è stato compilato separatamente in un file oggetto. Ogni file oggetto è iniziato con un elenco di tutte le funzioni contenute, insieme all '"indirizzo" della funzione. Un file oggetto aveva anche un elenco di tutte le funzioni che chiamava in altri file oggetto insieme alla posizione della chiamata.

Un linker legge prima tutti i file oggetto e crea un elenco di tutte le funzioni che hanno esportato, insieme al file in cui si trovavano e all'indirizzo. Rileggerebbe quindi tutti i file oggetto, emettendoli nel file di programma, aggiornando tutte le chiamate di funzione "esterne" con l'indirizzo della funzione.

Il linker non ha modificato o ottimizzato il codice macchina prodotto dal compilatore in alcun modo se non per correggere riferimenti a chiamate di funzioni esterne. Il linker faceva parte del sistema operativo e precede la maggior parte dei compilatori. Quando le persone scrivevano un nuovo compilatore, avevano bisogno che funzionasse con i linker correnti e che fosse in grado di collegarsi ai file oggetto correnti, altrimenti non sarebbe stato possibile effettuare chiamate di sistema.

Il compilatore ha sempre visto il codice nel file ".c" o ".cpp" che stava compilando insieme a tutti i file di intestazione inclusi. Quindi non è stato possibile effettuare alcuna ottimizzazione basata sul codice in altri file ".c" o ".cpp".

La parola chiave "inline" ha consentito di definire il corpo di una funzione (metodo) in un file di intestazione, consentendo quindi al compilatore di utilizzare il codice della funzione durante la compilazione del codice che lo chiama. Ad esempio supponiamo che tu abbia una classe di raccolta definita in un altro file .cpp, questa classe avrebbe un metodo "isEmpty", che contiene una riga di codice, ci sarebbe una grande velocità del programma risultante se invece di una chiamata a una funzione , la chiamata di funzione è stata sostituita con questa riga.

La parola chiave "inline" era vista all'epoca come un modo "economico e semplice" per consentire l'incapsulamento dei dati evitando il costo delle chiamate di funzione, senza di essa molti programmatori avrebbero semplicemente accesso ai campi privati ​​dell'oggetto. (Le macro in cui un modo molto peggiore "allineano" il codice era comune all'epoca.)

In questi giorni i "linker" fanno molta ottimizzazione del codice e tendono ad essere scritti da alcuni team come compilatore. Il compilatore spesso verifica semplicemente che il codice sia corretto e lo "comprime", lasciando gran parte dell'attività di creazione del codice macchina al linker.

Vediamo cosa dice lo standard (parti importanti evidenziate in grassetto):

2. Una dichiarazione di funzione con un identificatore in linea dichiara una funzione in linea. L'identificatore in linea indica all'implementazione che la sostituzione in linea del corpo della funzione nel punto di chiamata deve essere preferita al normale meccanismo di chiamata di funzione. Non è necessaria un'implementazione per eseguire questa sostituzione in linea al punto di chiamata; tuttavia, anche se questa sostituzione in linea viene omessa, le altre regole per le funzioni in linea devono comunque essere rispettate.

- Standard C ++, ISO / IEC 14882: 2003 , 7.1.2 Specificatori di funzioni [dcl.fct.spec]

Quindi, se vuoi essere sicuro, dovresti leggere la documentazione del tuo compilatore.

Inline tutto è una cattiva idea, in quanto potrebbe comportare un sacco di codice macchina duplicato ...

Quindi dovrai sapere:

Non ci sono risposte semplici: devi giocarci per vedere cosa è meglio. Do Non accontentarsi di risposte semplicistiche come, "Usa Mai inlinefunzioni" o "Usa sempre inlinele funzioni" o "Usa inlinele funzioni di se e solo se la funzione è inferiore a N righe di codice." Queste regole a misura unica possono essere facili da scrivere, ma produrranno risultati non ottimali.

- Domande frequenti su C ++, Funzioniinline incorporate , 9.3 Le funzioni migliorano le prestazioni?

Lascia che ti dia una buona ragione per usare la parola chiave inline.

Su un sistema incorporato, come una stampante di biglietti o un sistema più piccolo simile. Il processore è molto limitato e una chiamata di funzione (preparazione dei parametri di funzione nello stack, chiamata, recupero dei parametri dallo stack e risposta di ritorno, ecc.) Può richiedere diversi ms per l'esecuzione, oltre alla funzione stessa.

Diciamo che il tempo di chiamata è di circa 60 ms (solo per la chiamata, non la funzione effettiva) e si hanno 50 iterazioni (loop o chiamate iterative in un albero).

Il tempo per spostarsi avanti e indietro da quella chiamata di funzione richiederà 60 * 50 = 3000 (3 secondi).

Se hai la memoria, faresti sicuramente un inline per risparmiare 3 secondi.

Quindi gli inline sono usati fondamentalmente quando hai bisogno di velocità di esecuzione. In alcuni progetti in cui sono stato coinvolto, il tempo di chiamata era più lungo del tempo di esecuzione, una situazione classica in cui utilizzare in linea.