第四章:C语言函数全解析:从“工具人”到“代码复用大师”
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一、函数的概念:与编译器签订的恶魔契约
所谓函数,不过是把灵魂碎片封装进代码棺材的仪式!当main()成为时空奇点,每个函数调用都是向系统内核献祭的血之回响
好,接下来说人话,不仅在数学中,在C语言中也引入函数的概念,有些翻译为:子程序。子程序这种翻译更加准确一些。C语言中的函数就是一个完成某项特定的任务的一小段代码。这段代码是有特殊写法和调用方法的。
C语言的程序其实是由无数个小的函数组成的,一个函数如果能完成某项特殊任务的话,这个函数也是可以复用的,极大提升了开发软件的效率,这就是引入函数的意义所在。
在C语言中我们一般会见到两类函数:
- 库函数
- 自定义函数
二、库函数:上古卷轴中的黑暗咒文
stdio.h里封印着克苏鲁的触手!math.h埋藏着拉莱耶的坐标!调用库函数?那是在用凡人躯壳承受古神的知识洪流!
标准库和头文件
虽然C语言标准中规定了C语言的各种语法规则,但是C语言并不提供库函数.C语⾔的国际标准ANSI C规定了⼀些常⽤的函数的标准,被称为标准库,那不同的编译器⼚商根据ANSI提供的C语⾔标准就给出了⼀系列函数的实现。这些函数就被称为库函数。
我们之前就已经见过一些库函数了,比如printf、scanf。库函数也是函数,不过这些函数已经是现成的,我们只需要学会就能直接使用了。有了库函数,一些常见的功能就不需要程序员自己实现了,一定程度提升了效率,同时库函数的质量和执行效率上都有保证。
库函数相关头文件:https://zh.cppreference.com/w/c/header
库函数的使用方法
库函数的学习和查看⼯具很多,⽐如:
- C/C++官⽅的链接:https://zh.cppreference.com/w/c/header
- cplusplus.com:https://legacy.cplusplus.com/reference/clibrary/
接下来举一个例子进行分析:sqrt
double sqrt (double x);
//sqrt 是函数名
//x 是函数的参数,表⽰调⽤sqrt函数需要传递⼀个double类型的值
//double 是返回值类型 - 表⽰函数计算的结果是double类型的值
功能
Compute square root 计算平⽅根
Returns the square root of x .(返回平⽅根)
头文件包含
库函数是在标准库中对应的头⽂件中声明的,所以库函数的使⽤,务必包含对应的头⽂件,不包含是可能会出现⼀些问题的。
实践
#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main()
{
double d = 16.0;
double r = sqrt(d);
printf("%lf\n", r);
return 0;
}
查询库函数⽂档的⼀般格式:
- 函数原型
- 函数功能介绍
- 参数和返回类型说明
- 代码举例
- 代码输出
- 相关知识链接
方便各位自学库函数时理解。
三、自定义函数:打造你的“私人工具”
了解了库函数,我们的关注度应该聚焦在⾃定义函数上,⾃定义函数其实更加重要,也能给程序员写代码更多的创造性。
函数的语法形式
其实自定义函数和库函数是一样的。语法如下:
ret_type fun_name(形式参数)
{
}
• ret_type 是⽤来表⽰函数计算结果的类型,有时候返回类型可以是 void ,表⽰什么都不返回
• fun_name 是为了⽅便使⽤函数;就像⼈的名字⼀样,有了名字⽅便称呼,函数有了名字⽅便调⽤,所以函数名尽量要根据函数的功能起的有意义。
• 函数的参数就相当于,⼯⼚中送进去的原材料,函数的参数也可以是 void ,明确表⽰函数没有参数。如果有参数,要交代清楚参数的类型和名字,以及参数个数。
• {}括起来的部分被称为函数体,函数体就是完成计算的过程。
四、形参和实参:函数的“替身文学”
在函数使⽤的过程中,把函数的参数分为,实参和形参
#include <stdio.h>
int Add(int x, int y)
{
int z = 0;
z = x+y;
return z;
}
int main()
{
int a = 0;
int b = 0;
//输⼊
scanf("%d %d", &a, &b);
//调⽤加法函数,完成a和b的相加
//求和的结果放在r中
int r = Add(a, b);
//输出
printf("%d\n", r);
return 0;
}
实参
在上⾯代码中,第2~7⾏是 Add 函数的定义,有了函数后,再第17⾏调⽤Add函数的。
我们把第17⾏调⽤Add函数时,传递给函数的参数a和b,称为实际参数,简称实参。
实际参数就是真实传递给函数的参数。
形参
在上⾯代码中,第2⾏定义函数的时候,在函数名 Add 后的括号中写的 x 和 y ,称为形式参数,简称形参。
为什么叫形式参数呢?实际上,如果只是定义了 Add 函数,⽽不去调⽤的话, Add 函数的参数 x和 y 只是形式上存在的,不会向内存申请空间,不会真实存在的,所以叫形式参数。形式参数只有在函数被调⽤的过程中为了存放实参传递过来的值,才向内存申请空间,这个过程就是形参的实例化。
实参和形参的关系
虽然我们提到了实参是传递给形参的,他们之间是有联系的,但是形参和实参各⾃是独⽴的内存空间。
这个现象是可以通过调试来观察的。请看下⾯的代码和调试演⽰:
#include <stdio.h>
int Add(int x, int y)
{
int z = 0;
z = x + y;
return z;
}
int main()
{
int a = 0;
int b = 0;
//输⼊
scanf("%d %d", &a, &b);
//调⽤加法函数,完成a和b的相加
//求和的结果放在r中
int r = Add(a, b);
//输出
printf("%d\n", r);
return 0;
}
我们在调试的时候可以观察到,x和y确实得到了a和b的值,但是x和y的地址和a和b的地址是不⼀样的,所以我们可以理解为形参是实参的⼀份临时拷⻉。
五、return语句:闭合因果的达摩克利斯之剑
return不是结束,是向调用者发射的时空鱼雷!返回值会沿着栈帧回溯,在调用点引发逻辑奇点!
在函数的设计中,函数中经常会出现return语句,这⾥讲⼀下return语句使⽤的注意事项。
-
return后边可以是⼀个数值,也可以是⼀个表达式,如果是表达式则先执⾏表达式,再返回表达式的结果。
-
return后边也可以什么都没有,直接写 return; 这种写法适合函数返回类型是void的情况。
-
return返回的值和函数返回类型不⼀致,系统会⾃动将返回的值隐式转换为函数的返回类型。
-
return语句执⾏后,函数就彻底返回,后边的代码不再执⾏。
-
如果函数中存在if等分⽀的语句,则要保证每种情况下都有return返回,否则会出现编译错误。
六、数组做函数参数:混沌裂隙的通行证
当数组踏入函数领域,它便退化为指向混沌的指针!你以为在传递数组?不!是在打开克苏鲁的传送门!
在使⽤函数解决问题的时候,难免会将数组作为参数传递给函数,在函数内部对数组进⾏操作。
⽐如:写⼀个函数将⼀个整型数组的内容,全部置为-1,再写⼀个函数打印数组的内容。
简单思考⼀下,基本的形式应该是这样的:
#include <stdio.h>
int main()
{
int arr[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
set_arr();//设置数组内容为-1
print_arr();//打印数组内容
return 0;
}
这⾥的set_arr函数要能够对数组内容进⾏设置,就得把数组作为参数传递给函数,同时函数内部在设置数组每个元素的时候,也得遍历数组,需要知道数组的元素个数。所以我们需要给set_arr传递2个参数,⼀个是数组,另外⼀个是数组的元素个数。仔细分析print_arr也是⼀样的,只有拿到了数组和元素个数,才能遍历打印数组的每个元素。
#include <stdio.h>
int main()
{
int arr[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
set_arr(arr, sz);//设置数组内容为-1
print_arr(arr, sz);//打印数组内容
return 0;
}
数组作为参数传递给了set_arr 和print_arr函数了,那这两个函数应该如何设计呢?
这⾥我们需要知道数组传参的⼏个重点知识:
- 函数的形式参数要和函数的实参个数匹配
- 函数的实参是数组,形参也是可以写成数组形式的
- 形参如果是⼀维数组,数组⼤⼩可以省略不写
- 形参如果是⼆维数组,⾏可以省略,但是列不能省略
- 数组传参,形参是不会创建新的数组的,实际是传地址
- 形参操作的数组和实参的数组是同⼀个数组
七、嵌套调用:多重结界的死亡舞蹈
嵌套调⽤
嵌套调⽤就是函数之间的互相调⽤,每个函数就像⼀个乐⾼零件,正是因为多个乐⾼的零件互相⽆缝的配合才能搭建出精美的乐⾼玩具,也正是因为函数之间有效的互相调⽤,最后写出来了相对⼤型的程序。
假设我们计算某年某⽉有多少天?如果要函数实现,可以设计2个函数:
- is_leap_year():根据年份确定是否是闰年
- get_days_of_month():调⽤is_leap_year确定是否是闰年后,再根据⽉计算这个⽉的天数
int is_leap_year(int y)
{
if(((y%4==0)&&(y%100!=0))||(y%400==0))
return 1;
else
return 0;
}
int get_days_of_month(int y, int m)
{
int days[] = {0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31};
int day = days[m];
if (is_leap_year(y) && m == 2)
day += 1;
return day;
}
int main()
{
int y = 0;
int m = 0;
scanf("%d %d", &y, &m);
int d = get_days_of_month(y, m);
printf("%d\n", d);
return 0;
}
这⼀段代码,完成了⼀个独⽴的功能。代码中反应了不少的函数调⽤:
- main 函数调⽤ scanf 、 printf 、 get_days_of_month
- get_days_of_month 函数调⽤ is_leap_year
- 未来的稍微⼤⼀些代码都是函数之间的嵌套调⽤,但是函数是不能嵌套定义的。
链式访问
所谓链式访问就是将⼀个函数的返回值作为另外⼀个函数的参数,像链条⼀样将函数串起来就是函数的链式访问。
如:
#include <stdio.h>
int main()
{
int len = strlen("abcdef");//1.strlen求⼀个字符串的⻓度
printf("%d\n", len);//2.打印⻓度
return 0;
}
前⾯的代码完成动作写了2条语句,把如果把strlen的返回值直接作为printf函数的参数呢?这样就是⼀个链式访问的例⼦了。
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("%d\n", strlen("abcdef"));//链式访问
return 0;
}
再看⼀个有趣的代码,下⾯代码执⾏的结果是什么呢?
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("%d", printf("%d", printf("%d", 43)));
return 0;
}
这个代码的关键是明⽩printf函数的返回的是神魔?
int printf ( const char * format, ... );
- printf函数返回的是打印在屏幕上的字符的个数。
上⾯的例⼦中,我们就第⼀个printf打印的是第⼆个printf的返回值,第⼆个printf打印的是第三个printf的返回值。
第三个printf打印43,在屏幕上打印2个字符,再返回2
第⼆个printf打印2,在屏幕上打印1个字符,再放回1
第⼀个printf打印1
所以屏幕上最终打印:4321
八、函数声明vs定义:时空观测者的悖论
声明是向编译器许下的诺言,定义是兑现承诺的鲜血契约!在头文件中声明函数?那是在铸造跨文件灵魂链接!
单个文件
⼀般我们在使⽤函数的时候,直接将函数写出来就使⽤了。
那如果我们将函数的定义放在函数的调⽤后边,如下:
#include <stido.h>
int main()
{
int y = 0;
scanf("%d", &y);
int r = is_leap_year(y);
if(r == 1)
printf("闰年\n");
else
printf("⾮闰年\n");
return 0;
}
//判断⼀年是不是闰年
int is_leap_year(int y)
{
if(((y%4==0)&&(y%100!=0)) || (y%400==0))
return 1;
else
return 0;
}
这样子运行会出现函数未定义的警告类型
这是因为C语⾔编译器对源代码进⾏编译的时候,从第⼀⾏往下扫描的,当遇到第7⾏的is_leap_year函数调⽤的时候,并没有发现前⾯有is_leap_year的定义,就报出了上述的警告。
把怎么解决这个问题呢?就是函数调⽤之前先声明⼀下is_leap_year这个函数,声明函数只要交代清楚:函数名,函数的返回类型和函数的参数。
如:int is_leap_year(int y);这就是函数声明,函数声明中参数只保留类型,省略掉名字也是可以的。
多个文件
⼀般在企业中我们写代码时候,代码可能⽐较多,不会将所有的代码都放在⼀个⽂件中;我们往往会根据程序的功能,将代码拆分放在多个⽂件中。
⼀般情况下,函数的声明、类型的声明放在头⽂件(.h)中,函数的实现是放在源⽂件(.c)⽂件中。
如下:
add.c :函数文件:
//函数的定义
int Add(int x, int y)
{
return x+y;
}
add.h 函数头文件与声明:
//函数的声明
int Add(int x, int y);
test.c 主函数:
#include <stdio.h>
#include "add.h"
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
//函数调⽤
int c = Add(a, b);
printf("%d\n", c);
return 0;
}
static和extern
static 和extern 都是C语⾔中的关键字。
static 是 静态的 的意思,可以⽤来:
- 修饰局部变量
- 修饰全局变量
- 修饰函数
extern 是⽤来声明外部符号的。
在讲解 static 和 extern 之前再讲⼀下:作⽤域和⽣命周期。
作用域是程序设计的概念:一段程序代码所用到的名字并不是都可用的,限定这个名字的可用性代码范围就是这个名字的作用域
- 局部变量的作⽤域是变量所在的局部范围。
- 全局变量的作⽤域是整个⼯程(项⽬)。
⽣命周期指的是变量的创建(申请内存)到变量的销毁(收回内存)之间的⼀个时间段。
- 局部变量的⽣命周期是:进⼊作⽤域变量创建,⽣命周期开始,出作⽤域⽣命周期结束。
- 全局变量的⽣命周期是:整个程序的⽣命周期。
static修饰局部变量
//代码1
#include <stdio.h>
void test()
{
int i = 0;
i++;
printf("%d ", i);
}
int main()
{
int i = 0;
for(i=0; i<5; i++)
{
test();
}
return 0;
}
//代码2
#include <stdio.h>
void test()
{
//static修饰局部变量
static int i = 0;
i++;
printf("%d ", i);
}
int main()
{
int i = 0;
for(i=0; i<5; i++)
{
test();
}
return 0;
}
对⽐代码1和代码2的效果,理解 static 修饰局部变量的意义。
代码1的test函数中的局部变量i是每次进⼊test函数先创建变量(⽣命周期开始)并赋值为0,然后++,再打印,出函数的时候变量⽣命周期将要结束(释放内存)。
代码2中,我们从输出结果来看**,i的值有累加的效果,其实test函数中的i创建好后**,出函数的时候是不会销毁的,重新进⼊函数也就不会重新创建变量,直接上次累积的数值继续计算。
- 所以static修饰局部变量是改变了变量的生命周期,生命周期的改变本质上是让static修饰后局部变量储存到了静态区。生命周期和程序的生命一样了,直至程序结束,变量才销毁,内存才回收,但是作用域是不变的。
使⽤建议:未来⼀个变量出了函数后,我们还想保留值,等下次进⼊函数继续使⽤,就可以使⽤static修饰。
static修饰全局变量
代码1:
add.c
int g_val = 2018;
test.c
#include <stdio.h>
extern int g_val;
int main()
{
printf("%d\n", g_val);
return 0;
}
代码2:
add.c
static int g_val = 2018;
test.c
#include <stdio.h>
extern int g_val;
int main()
{
printf("%d\n", g_val);
return 0;
}
extern是⽤来声明外部符号的,如果⼀个全局的符号在A⽂件中定义的,在B⽂件中想使⽤,就可以使⽤ extern进⾏声明,然后使⽤。
代码1正常,代码2在编译的时候会出现链接性错误。
结论:⼀个全局变量被static修饰,使得这个全局变量只能在本源⽂件内使⽤,不能在其他源⽂件内使⽤。 即使声明了,也是⽆法正常使⽤。
使⽤建议:如果⼀个全局变量,只想在所在的源⽂件内部使⽤,不想被其他⽂件发现,就可以使⽤static修饰。
static修饰函数
其实 static修饰函数和 static修饰全局变量是⼀模⼀样的,⼀个函数在整个⼯程都可以使⽤,被static修饰后,只能在本⽂件内部使⽤,其他⽂件⽆法正常的链接使⽤了。