Лекция 2. Подставляемые (встраиваемые) функции. Перегрузка функций

Краткая аннотация лекции.

В лекции рассматриваются понятия, объявление и использование в программах подставляемых и перегруженных функций в С++, механизмы выполнения подстановки и перегрузки функций, рекомендации по повышению эффективности программ за счет перегрузки или подстановки функций.

Цель лекции: изучить подставляемые (встраиваемые) функции и перегрузки функций, научиться разрабатывать программы с использованием перегрузки функций на языке C++.

Текст лекции.

Подставляемые функции

Вызов функции, передача в нее значений, возврат значения – эти операции занимают довольно много процессорного времени. Обычно при определении функции компилятор резервирует в памяти только один блок ячеек для сохранения ее операторов. После вызова функции управление программой передается этим операторам, а по возвращении из функции выполнение программы возобновляется со строки, следующей после вызова функции.

При неоднократных вызовах каждый раз программа будет отрабатывать один и тот же набор команд, не создавая копий для каждого вызова в отдельности.

Каждый переход к области памяти, содержащей операторы функции, замедляет выполнение программы. Если функция занимает небольшой объем, то можно получить выигрыш во времени при многократных вызовах, дав компилятору команду встроить код функции непосредственно в программу по месту вызова. Такие функции называется подставляемыми. В этом случае, говоря об эффективности, прежде всего, подразумевается скорость выполнения программы.

Подставляемые или встраиваемые (inline) функции – это функции, код которых вставляется компилятором непосредственно на место вызова, вместо передачи управления единственному экземпляру функции.

Если функция является подставляемой, компилятор не создает данную функцию в памяти, а копирует ее строки непосредственно в код программы по месту вызова. Это равносильно вписыванию в программе соответствующих блоков вместо вызовов функций. Таким образом, спецификатор inline определяет для функции так называемое внутреннее связывание, которое заключается в том, что компилятор вместо вызова функции подставляет команды ее кода. Подставляемые функции используют, если тело функции состоит из нескольких операторов.

Этот подход позволяет увеличить скорость выполнения программы, так как из программы исключаются команды микропроцессора, требующиеся для передачи аргументов и вызова функции.

Например:

/*функция возвращает расстояние от точки с координатами(x1,y1) до точки с координатами (x2,y2)*/

inline float Line(float x1,float y1,float x2, float y2) {

return sqrt(pow(x1-x2,2)+pow(y1-y2,2));

}

Однако следует обратить внимание, что использование подставляемых функций не всегда приводит к положительному эффекту. Если такая функция вызывается в программном коде несколько раз, то во время компиляции в программу будет вставлено столько же копий этой функции, сколько ее вызовов. Произойдет значительное увеличение размера программного кода, в результате чего ожидаемого повышения эффективности выполнения программы по времени может и не произойти.

Пример 1.

#include "stdafx.h"

#include <iostream>

using namespace std;

inline int Cube(int x);

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){

int x=2;

float y=3;

double z=4;

cout<<Cube(x)<<endl;

cout<<Cube(y)<<endl;

cout<<Cube(z)<<endl;

system("pause");

return 0;

}

inline int Cube(int x) {

return x*x*x;

}

Перечислим причины, по которым функция со спецификатором inline будет трактоваться как обычная не подставляемая функция:

· подставляемая функция является рекурсивной;

· функции, у которых вызов размещается до ее определения;

· функции, которые вызываются более одного раза в выражении;

· функции, содержащие циклы, переключатели и операторы переходов;

· функции, которые имеют слишком большой размер, чтобы сделать подстановку.

Ограничения на выполнение подстановки в основном зависят от реализации. Если же для функции со спецификатором inline компилятор не может выполнить подстановку из-за контекста, в который помещено обращение к ней, то функция считается статической и выдается предупреждающее сообщение.

Еще одной из особенностей подставляемых функций является невозможность их изменения без перекомпиляции всех частей программы, в которых эти функции вызываются.

Перегрузка функции

При определении функций в программах необходимо указывать тип возвращаемого функцией значения, а также количество параметров и тип каждого из них. Если на языке С++ была написана функция с именем add_values, которая работала с двумя целыми значениями, а в программе было необходимо использовать подобную функцию для передачи трех целых значений, то тогда следовало бы создать функцию с другим именем. Например, add_two_valuesи add_three_values. Аналогично, если необходимо использовать подобную функцию для работы со значениями типа float, то нужна еще одна функция с еще одним именем. Чтобы избежать дублирования функции, C++ позволяет определять несколько функций с одним и тем же именем. В процессе компиляции C++ принимает во внимание количество аргументов, используемых каждой функцией, и затем вызывает именно требуемую функцию. Предоставление компилятору выбора среди нескольких функций называется перегрузкой.

Перегрузка функций – это создание нескольких функций с одним именем, но с разными параметрами. Под разными параметрами понимают, что должно быть разным количество аргументов функции и/или их тип. То есть перегрузка функций позволяет определять несколько функций с одним и тем же именем и типом возвращаемого значения.

Перегрузка функций также называется полиморфизмом функций. «Поли» означает много, «морфе» – форма, то есть полиморфическая функция – это функция, отличающаяся многообразием форм.

Под полиморфизмом функции понимают существование в программе нескольких перегруженных версий функции, имеющих разные значения. Изменяя количество или тип параметров, можно присвоить двум или нескольким функциям одно и тоже имя. При этом никакой путаницы не будет, поскольку нужная функция определяется по совпадению используемых параметров. Это позволяет создавать функцию, которая сможет работать с целочисленными, вещественными значениями или значениями других типов без необходимости создавать отдельные имена для каждой функции.

Таким образом, благодаря использованию перегруженных функций, не следует беспокоиться о вызове в программе нужной функции, отвечающей типу передаваемых переменных. При вызове перегруженной функции компилятор автоматически определит, какой именно вариант функции следует использовать.

Например, следующая программа перегружает функцию с именем add_values. Первое определение функции складывает два значения типа int. Второе определение функции складывает три значения типа int. В процессе компиляции C++ корректно определяет функцию, которую необходимо использовать:

#include "stdafx.h"

#include <iostream>

using namespace std;

int add_values(int a,int b);

int add_values (int a, int b, int c);

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){

cout << "200+801=" << add_values(200,801) << "\n";

cout << "100+201+700=" << add_values(100,201,700) << "\n";

system("pause");

return 0;

}

int add_values(int a,int b) {

return(a + b);

}

int add_values (int a, int b, int c) {

return(a + b + c);

}

Таким образом, программа определяет две функции с именами add_values. Первая функция складывает два значения, в то время как вторая складывает три значения одного типа int. Компилятор языка С++ определяет, какую функцию следует использовать, основываясь на предлагаемых программой параметрах.

Использование перегрузки функции

Одним из наиболее общих случаев использования перегрузки является применение функции для получения определенного результата, исходя из различных параметров. Например, предположим, что в программе есть функция с именем day_of_week, которая возвращает текущий день недели (0 для воскресенья, 1 для понедельника, ... , 6 для субботы). Программа могла бы перегрузить эту функцию таким образом, чтобы она верно возвращала день недели, если ей передан юлианский день в качестве параметра, или если ей переданы день, месяц и год.

int day_of_week(int julian_day) {

// операторы

}

int day_of_week(int month, int day, int year) {

// операторы

}

При использовании перегруженных функций часто допускается ряд ошибок. Например, если функции отличаются только типом возвращаемого значения, но не типами аргументов, такие функции не могут иметь одинаковое имя. Также недопустим следующий вариант перегрузки:

int имя_функции(int имя_аргумента);

int имя_функции(int имя_аргумента);

/*недопустимая перегрузка имени: аргументы имеют одинаковое количество и одинаковый тип*/

Преимущества перегрузки функции:

· перегрузка функций улучшает удобочитаемость программ;

· перегрузка функций C++ позволяет программам определять несколько функций с одним и тем же именем;

· перегруженные функции возвращают значения одинакового типа, но могут отличаться количеством и типом параметров;

· перегрузка функций упрощает задачу программистов, требуя, чтобы они помнили только одно имя функции, но тогда они должны знать, какая комбинация параметров соответствует какой функции.

Пример 2.

/*Перегруженные функции имеют одинаковые имена, но разные списки параметров и возвращаемые значения*/

#include "stdafx.h"

#include <iostream>

using namespace std;

int average(int first_number, int second_number, int third_number);

int average(int first_number, int second_number);

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){// главная функция

int number_A = 5, number_B = 3, number_C = 10;

cout << "Целочисленное среднее чисел " << number_A << " и ";

cout << number_B << " равно ";

cout << average(number_A, number_B) << ".\n\n";

cout << "Целочисленное среднее чисел " << number_A << ", ";

cout << number_B << " и " << number_C << " равно ";

cout << average(number_A, number_B, number_C) << ".\n";

system("PAUSE");

return 0;

}// конец главной функции

/*функция для вычисления целочисленного среднего значения 3-х целых чисел*/

int average(int first_number, int second_number, int third_number ) {

return((first_number + second_number + third_number)/3);

} // конец функции

/*функция для вычисления целочисленного среднего значения 2-х целых чисел*/

int average( int first_number, int second_number ) {

return((first_number + second_number)/2);

} // конец функции

Пример 3.

/*Перегруженные функции имеют одинаковые имена и типы возвращаемых значений, но разные типы параметров*/

#include "stdafx.h"

#include <iostream>

using namespace std;

#include<stdio.h>

float average(int first_number, int second_number,

int third_number );

float average(float first_number, float second_number,

float third_number);

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){

int A = 5, B = 3, C = 10;

float A1 = 5.1, B1 = 3.4, C1 = 10.5;

printf("Среднее значение 3-х целых чисел = %f\n",

average(A,B,C)/3.0);

printf("Среднее значение 3-х вещественных чисел = %f\n",

average(A1,B1,C1)/3.0);

system("pause");

return 0;

}

/*функция для вычисления среднего значения 3-х целых чисел*/

float average(int first_number, int second_number,

int third_number ) {

return ((first_number + second_number + third_number));

}

/*функция для вычисления среднего значения 3-х веществен-ных чисел*/

float average(float first_number, float second_number,

float third_number) {

return ((first_number + second_number + third_number));

}

Ключевые термины

Внутреннее связывание – это подстановка компилятором вместо вызова функции команд ее кода.

Перегрузка функций – это создание нескольких функций с одним именем, но с разными параметрами.

Подставляемые или встраиваемые (inline) функции – это функции, код которых вставляется компилятором непосредственно на место вызова, вместо передачи управления единственному экземпляру функции.

Полиморфизм функций – это перегрузка функций.

Краткие итоги

1.Механизм многократных вызовов функции в программном коде сопряжен с временными затратами.

2.Для сокращения времени на многократные вызовы одной и той же функции используются подставляемые функции.

3.Ограничения на выполнение подстановки в основном зависят от реализации.

4.В С++ реализован полиморфизм функций, заключающийся в объявлении функций с одинаковыми именами, но разными параметрами.

5.Перегруженные функции могут различаться количеством и типом параметров, а также выполняемыми действиями.

6.При использовании перегруженных функций следует избегать ошибок при объявлении функций.

7.Преимущества использования перегруженных функций связаны с удобством работы с программным кодом и разработкой функций пользователя.

Набор для практики

Вопросы

1. Чем отличается механизм вызова встраиваемой и обычной пользовательских функций?

2. На каком этапе выполнения программы происходит встраивание кода подставляемой функции?

3. Почему не рекомендуется встраивать функции с большим кодом?

4. Как будет выполняться программа, если размер кода подставляемой функции превосходит допустимый свободный размер памяти?

5. С какой целью в программировании реализован полиморфизм функций?

6. Каким образом компилятор определяет, какую из перегруженных функций необходимо вызвать в программном коде?

7. Могут ли перегруженные функции возвращать результат одного типа? Ответ обоснуйте.

Упражнения

1.Наберите коды программ из Примеров 1–3. Выполните компиляцию и запуск программ.

2.Составьте программу для решения задачи. Определите значение

,

где max(x, у)есть максимальное из чисел x, у. Разработайте функции нахождения максимального из двух целых и вещественных чисел.

3.Составьте программу для решения задачи. Найдите периметр треугольника, заданного координатами своих вершин (считать, что треугольник существует). Разработайте функции нахождения расстояния между двумя точками, заданными своими координатами. Предусмотрите только случаи двумерного и трехмерного пространств.

4.Составьте программу для решения задачи. Выясните, что больше: среднее арифметическое или среднее геометрическое трех положительных чисел. Разработайте перегруженные функции нахождения среднего арифметического и среднего геометрического трех целых и вещественных чисел.

5.Составьте программу, которая в зависимости от входных данных переводит часы и минуты в минуты или минуты – в часы и минуты. Используйте перегруженные функции. Например, при вводе 134 мин будет выдано значение 2 час 14 мин, а при вводе 2 час 14 мин – значение 134 мин.

Литература

1. Керниган, Б. Язык программирования Си / Б. Керниган, Д. Ритчи. – М.: Вильямс, 2007. – 304 с.

2. Подбельский, В.В. Практикум по программированию на языке Си: учеб. пособие / В.В. Подбельский. – М.: Финансы и статистика, 2004. – 576 с.

3. Подбельский, В.В. Программирование на языке Си: учеб. пособие / В.В. Подбельский, С.С. Фомин. – М.: Финансы и статистика, 2004. – 600 с.

4. Подбельский, В.В. Язык Си++: учеб. пособие / В.В. Подбельский. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 560 с.

5. Романов, Е.Л. Практикум по программированию на языке С++: учеб. пособие / Е.Л. Романов. – СПб: БХВ-Петербург, 2004. – 432 с.

6. С/С++. Структурное программирование: практикум / Т.А. Павловская, Ю.А. Щупак. – СПб: Питер, 2004. – 239 с.