Cplusplus函数详解

这是一篇关于Cplusplus函数详解的思维导图，主要内容有函数的定义、调用、声明、函数的形参和实参。

C++函数(上)

• 函数的定义
  • 函数由4部分构成
    • 返回类型
      • 函数的返回类型指的是函数会返回数据的类型。
      • 如果某个函数不返回任何值，则其返回类型是void，定义这样的函数的目的不是求一个值，而只是为了执行一组操作。
    • 函数名
      • 函数名要求能够描述这个函数的功能或者定义该函数的目的。不准确或者没有意义的函数名往往会误导开发者，并导致程序难以阅读
      • 而准确、有意义的函数名则可以提高程序的可读性，也是对开发者的一种指导。
    • 参数列表
      • 函数的参数位于一个括号中，并且用逗号分隔。括号中的部分就称做函数的参数列表。
    • 函数体
      • 函数体是一个语句块，即由花括号“{”和“}”包含的一组语句。这些语句用来实现函数的功能或目的。
      • 如果函数要返回一个数据，则函数体中至少需要一个return语句。
        • return 结果表达式；
        • return (结果表达式)；
        • 等价的
      • 如果函数不需要返回数据，即函数的返回类型是void，则在函数体中不需要return语句。即便是加了return语句，也不能带任何表达式。
  • 语法
    • 返回类型 函数名（参数1， 参数2， ...） { 语句1； 语句2； .... 语句n; return 结果表达式； }
  • 意义
    • 使用函数的最大好处就是可重复使用。
• 函数的调用
  • 所谓调用函数，就是使用函数的功能返回一个值或者执行一组语句。调用函数时，在函数名后跟一个括号，其中是各个参数，用逗号分隔
  • 返回类型变量 = 函数名（参数列表）；
    • 调用有返回值的函数
  • 函数名（参数列表）
    • 调用void类型函数，或者虽然有返回值但不需要保存
  • 示例
• 函数的声明和定义
  • 函数的声明
    • C++标准规定：函数在调用之前，必须先声明。函数的声明包括返回类型、函数名和参数列表。
    • 函数声明就是为了告诉编译器存在这样一个函数，并且可以在后面的程序中使用。
    • 与函数定义不同，函数的声明不包含函数体。函数的声明也称做函数原型
    • 在函数的声明和定义中，不能没有参数列表。如果函数不需要参数，则可以用空参数列表或只带一个void关键字的参数列表
    • 示例
      • int function();
      • int function( void );
      • 等价表示不接受任何参数
    • 声明函数时，参数列表中的每个参数可以有名字，也可以没名字，即只带一个类型关键字
    • 示例
      • int max( int, int );
      • int max(int a, int b);
      • 等价
    • 尽管声明函数时不需要给出参数的名字，但是如果参数有名字，则可以提示该参数的含义，开发者可以根据参数的名字传入合适的参数。
    • 尽管声明时不需要给出参数的名字，但在定义时必须有，否则会引起编译错误。而且参数名在函数定义时也有着特殊的意义
    • 调用函数前先声明
      • 函数声明的作用就是告诉调用者如何使用该函数，即函数接受什么类型的参数、参数的个数以及函数的返回类型。函数声明只是函数定义的一部分，它缺少函数体。
      • 如果在调用前函数已经定义，则不必另外声明，因为编译器已经知道了该函数的全部信息。
      • 示例
    • 示例
      • 无需声明
        • 内部声明
          • 外部声明
      • 即告诉编译器有一个名为max的函数，接受两个整型参数，并返回一个整数。在后面的代码中，调用max函数时，编译器就会根据这个函数头在整个源文件中查找这个max函数的定义。
    • 在头文件中声明函数
      • 而对于复杂的大型程序，往往有很多源文件，而且一个源文件中定义的函数，往往会被其他源文件使用，因此就需要在其他源文件中声明该函数。
      • 在有多个源文件的程序中，往往把函数的声明放在头文件中。当别的源文件要声明函数时，只要包含头文件即可（用#include指令）。
      • 使用各种库函数时也是如此。使用库中的某个函数时，首先要声明，即包含相应的头文件。调用时，编译器会根据函数的声明，到库中查找函数的定义。
  • 函数的定义
    • 函数的定义也称做函数实现
      • 函数的定义一般在源文件中实现
    • 一个函数的定义由返回类型、函数名、参数列表和函数体组成
      • 前面的3个部分称为函数的声明或函数原型
    • 函数中的return语句除了返回数据之外，还有一个重要的功能，就是结束函数的运行，在return语句之后的语句不会被执行。
    • 函数的定义不允许嵌套
      • 尽管函数定义不允许嵌套，但可以在函数体中声明另外一个函数。
    • 规范
      • 书写代码时，应当尽量用清楚、明白的算法流程，而不是采用复杂的表达式。
• 函数的形参和实参
  • 形参
    • 形参是函数定义时的参数。之所以称为形参，是因为这些参数实际并不存在，只是在形式上代表运行时实际出现的参数。
  • 实参
    • 实参是函数调用时传入的参数，也是程序运行时实际存在的参数。
    • 使用默认实参
      • 默认实参是声明函数时给参数指定的默认值。指定默认实参的方法类似于初始化一个变量。
      • void function (int a, int b = 123);
        • 对于声明中带有默认实参的函数，调用时可以不给该参数传实参。虽然调用时没有指定实参，但在函数运行时，该参数仍然有值，这个值就是声明时的默认实参。
        • 调用者指定的实参会覆盖参数的默认值，也就是说函数运行时会按照调用者指定的值运行。
      • 一个参数只能在一个文件中被指定一次默认实参，但可以在多次声明中依次向前指定其他参数的默认实参。
  • 参数类型检查
    • 调用函数时，编译器会检查实参与形参的类型是否匹配。如果不匹配，则检查是否存在实参类型到形参类型的隐式类型转换。如果存在，则按照隐式类型转换规则进行转换；否则，编译器就会报告一个编译错误。
  • 总结
    • 形参和实参是相对的概念，有时会相互转化。
    • 当函数A()调用函数B()时，由于是在A()的函数体中，所以A()的参数对于A()来讲是形参
    • 但是在调用B()函数时，可以使用A()的参数，此时这个参数对于B()来讲就是实参
    • 示例
      • void outputMin (int x, int y) { int z = min(x, y); }
        • 对于outputMin函数，x和y是形参；
        • 对于min函数（第3行的调用），x和y是实参。
• 参数传递
  • 值传递
    • 实参传递给函数后，系统将构建一份实参的副本，其值与实参的值相同。此后函数将针对这份副本进行操作，对原始的实参没有任何影响。C++函数的这种约定称为“值传递”。
    • 函数的形参就是实参的副本。
    • 示例
      • • 或许swap函数作者的意图是交换两个参数的值，即期待程序输出“x == 1”和“y == 0”
        • 但是实际结果却没变
        • 这说明swap函数的调用并没有改变两个实参变量的值。
    • 缺点
      • 传值方式传递的只是实参的值，而不是实参本身。这样做一方面会有效率的问题，因为对于大的数据类型有一次赋值过程；另一方面在函数中也并不能改变实参的值，因为函数中只是构建了实参的一个副本。用指针和引用作为参数
  • 指针传递
    • 在函数的参数列表中，可以使用指针类型的参数。
      • void function (int *)
        • 函数的参数就是一个int类型的指针
    • 传递给指针参数的实参可以是一个指针变量，也可以是一个变量的地址。
      • 用指针作为参数，遵从的也是值传递的原则。实际传递的值是指针的值，而不是指针所指变量的值。
    • 优点
      • 提高了传递参数的效率。
      • 函数可以修改实参指针所指变量的值。
      • 可以消除值传递带来的空间和时间上的浪费。
    • 示例
    • 数组函数
      • 用数组作为函数参数
        • 即函数的形参是数组
          • 定义函数时数组参数作为指针使用，而这个指针就指向数组实参的首地址，也就是数组中第一个元素的地址。
        • 函数内如果修改了数组参数中某个元素的值，也就修改了对应的数组实参中元素的值。
        • 应用
          • C++程序中常用的排序函数就利用了数组参数的这个特性，它在函数中对数组参数进行排序，函数运行完后，数组中的元素就是排序后的结果。
      • void function(int a[10] )
        • 用数组作为函数参数时，数组的长度是没有意义的，也就是说上述函数的声明同以下的声明是等效的
          • 正因为在定义函数时，数组参数被当做指针，所以数组参数也可以用指针参数表示：
      • void function(int a[]);
        • void function(int a[100])
          • void function(int *p);
            • 前三个是等价的
      • 所以在定义函数时，不能依赖于数组参数中数组的长度。实际上，编译器会自动将数组参数作为指针进行解释，这个指针指向一块儿连续的内存。而这样的一个指针中不会保存长度信息，所以函数声明时，数组参数的长度是没有意义的。为了弥补这个缺点，可以在参数列表中再附加一个参数，用以传递数组的长度，
        • void function(int a[], int n)
        • 其中第二个参数n就是数组的长度
      • 调用方法
        • 数组作为实参
        • 指针作为实参
      • 示例
        • 对一个整型数组按照递增的顺序进行排序。
        • 选择排序算法
          • 思想
            • 依次确定第i（i=0，1，…，n-1）个位置上的元素，这个元素的值也就是第i个元素到第n-1个元素中的最小值。
        • 程序实现
          • 在函数 sort 的定义中直接修改了形参数组中的元素，由于数组参数被当做指针使用，所以实际修改的就是实参数组中的元素。
  • 引用传递
    • 使用引用参数的好处同使用指针参数的好处是相同的，也是提高了传递参数的效率，而且也可以在函数内部修改实参变量的值。
• 函数中的变量
  • 变量是函数的主要内容，变量的类型和作用范围将对函数的功能起到很大的影响
  • 分类
    • 局部变量
      • 定义函数时，在函数体中声明的变量称为局部变量。之所以称为局部变量，是因为这些变量的作用范围仅限于函数体内，在函数外部不能访问。
      • • 在上述程序中，函数function中定义了一个变量a，其作用域仅仅限于function的函数体内。由于变量a并不存在，所以“a”这个标识符也就没有定义。
      • 函数体其实就是一个语句块。C++规定在语句块内声明的变量，其作用域仅限于这个语句块内，所以函数体中声明的变量，其作用域不会超出函数体的范围。
      • 形参的作用域也仅限于函数体内，所以形参也可以当做局部变量使用。
    • 全局变量
      • 函数之外声明的变量称为全局变量。全局变量的作用域是整个程序，即在任何一个函数中都可以访问。全局变量一旦被修改，在其他函数中访问到的值也会随之而变。
        • 规范中是不建议的哈，原因就在这
      • • 运行上述程序将输出“1,2,3,”，而不是“0,1,2,”。在上述程序中，变量gVar声明（第1行）在所有函数之外，是全局变量。程序中任何地方都可以访问gVar
      • 鉴于全局变量的特性，可以用全局变量来保存函数的结果，即原来用返回值当做函数的结果值，现在可以用全局变量当做函数的结果值。
      • 尽量减少全局变量的使用。虽然在程序中使用全局变量非常方便，可以使数据在函数间共享。但是这样做也使得一个函数的逻辑依赖于另外一个函数的逻辑，函数间的耦合性非常高，导致程序复杂化。另外，如果一个函数赋给全局变量一个错误的值，则会引起其他函数出错，而且这样的错误根源也难以查找
      • 初始化
        • 同局部变量不同，全局变量的初始化是强制性的。如果在定义全局变量时没有给出初始化的值，则全局变量自动初始化为0。
        • 如果程序中定义了多个全局变量，而且都位于同一个源文件中，则这些全局变量会按照其定义时的顺序进行初始化。
        • 如果程序中的全局变量分散在多个源文件中，则其初始化的顺序是不一定的，C++标准没有对此做出规定。
      • 多个源文件共享全局变量
        • 全局变量的作用域虽然是整个程序，但在使用时仍然有特殊的要求。假设有两个源文件file1.cpp和file2.cpp，其中file1.cpp中定义了一些全局变量，如果file2.cpp中的函数要使用这些全局变量，则必须在使用前声明。
        • extern 类型 全局变量名；
          • 其中extern关键字表明这个全局变量是在别的文件中定义的，需要在本文件中使用。
          • 在全局变量前加上extern关键字只是用来声明一个全局变量，而不是定义全局变量。如果只有extern声明，没有定义，则全局变量仍然不存在。编译器会报告“某某全局变量没有定义”的错误。
    • 静态变量
      • 其特点是变量定义时带有static关键字
        • 函数内的静态变量也称为局部静态变量，其作用域只限于函数内部，别的函数不能访问。局部静态变量的生命周期同全局变量一样，在整个程序运行期间都有效。
      • 函数内的静态变量
      • 全局的静态变量
      • 示例
        • • 这是因为 iVal 是一个局部静态变量，其生命周期在程序运行期间一直有效，所以函数 function 每一次运行结束后，并没有销毁 iVal。而且，函数function每一次访问到的iVal的值都是上一次函数运行的结果。例如，function第一次运行后，iVal的值是1，第二次运行访问iVal的值就是1，同样第三次访问到的值就是2。
          • 输出“0,1,2,”
      • 应用
        • 基于这个特性，可以利用局部静态变量保存每一次函数运行时的状态，以供函数再次被调用时使用。虽然全局变量也可以做到这一点，但是任何函数都可以访问，不利于控制。而局部静态变量只有本函数能够访问，可以有效地限制其作用域。
        • 某些严格的安全系统对用户试图登录的次数有限制，可以用静态变量记录这个次数，超过限定次数后则阻止用户继续尝试，用全局变量则给了其他函数修改变量的机会，不符合安全性的要求。
        • 示例
          • 用静态变量记录函数被调用的次数（这里是用户试图登录系统的次数）
      • 全局静态变量
        • 同一般全局变量类似，全局静态变量也是在函数外部定义的变量，只是定义之前带有 static关键字。
        • 跟一般全局变量不同的是：全局静态变量的作用域仅限于定义这个变量的源文件，而不是整个程序。
        • 假设程序中有file1.cpp和file2.cpp两个源文件，其中file1.cpp中定义了全局静态变量gVar，则在file2.cpp中试图访问gVar时，会遇到一个编译错误：“变量gVar未定义”，这就是因为gVar是定义在file1.cpp中的全局静态变量，只能在file1.cpp中访问。
        • 不同的源文件中是不能共享全局静态变量的，但是可以共享全局变量
• 递归函数
  • 如果一个函数在其定义中又调用自身，则称为递归函数，调用自身的过程叫做递归。递归分为直接递归和间接递归。
  • 直接递归是指函数直接调用自身，间接递归则指A函数调用了B函数，而B函数又调用 A 函数。
  • 函数递归应当有个终止条件，即当某个条件满足时，递归就应当停止。否则递归没完没了地继续下去，程序就会陷入死循环。
  • 坏处
    • 虽然递归在解决某些问题方面非常方便，但也是有代价的。每次递归调用都要重新创建一份函数的副本。如果函数中有大量的变量，并且递归层次很多，则内存很快就会被消耗殆尽。因此，应用递归时，函数应当尽量简单，而且要尽量减少递归的层次。
      • 这是重点问题啊
        • 如何消除递归爆炸
• 内联函数
  • 源代码编译完之后，函数就变成了一个指令的集合。调用函数时，系统将跳转到这些指令集的首地址开始运行。当函数返回时，系统就跳回到函数调用处的下一条指令继续执行。不管调用多少次，每次系统都跳转到同一地址，程序中也只有一个函数的复制。
  • 虽然函数节省了空间，但也不是没有代价。在调用函数的两次跳转过程中，存在一些影响性能的系统开销。如果函数本身非常短小，只有一两条指令，则跳转花费的时间就会占到较大的比重。如果可以避免跳转，则程序的执行效率就会大大提高。
  • • 求和在计算机中是最基本的运算，只要一条指令就可以完成。如果写成函数，则需要附加两次跳转、参数传递、函数返回等操作，这将极大地影响效率。所以，对于如此简单的功能，最好不要使用函数，而是直接计算。
  • 作用
    • 在C++中，如果在函数的声明前加上inline关键字，则称为内联函数。对于内联函数，编译器不创建真实的函数，而只是在函数调用处展开（即将函数的代码直接复制到调用处）。
    • 这样，在“调用”函数时就不用跳转了，避免了使用真实函数的代价。
  • 对于add函数，如果其声明为：
    • inline int add(int a, int b);
      • 函数调用如下
        • int x = add(1, 2);
  • 编译后
    • int x = 1 + 2
      • 尽管在调用处展开内联函数，同复制函数代码是一样的，但还是使用内联函数方便，否则当需要修改代码时，就要在所有用到的地方进行修改。
  • 函数定义
    • 如果函数是在头文件中定义的，则编译器会自动将该函数视为内联函数。
  • inline关键字和在头文件中定义函数，只是对编译器的一种建议。到底要不要将函数作为内联函数，取决于编译器的判断。
  • 有的函数是不适合作为内联函数的，如递归函数，或者有很多语句的函数。这样的函数即便是加了inline关键字，或者定义在头文件中，编译器依然会将其当做非内联的一般函数对待。
  • 示例
    • 在头文件中定义一个内联函数，求两个整数中的最小值
    • • min函数在头文件method.h中定义，编译器自动将其识别为内联函数。并且函数非常短小，所以会在调用处展开。
• 函数重载
  • 在C++程序中不允许有相同的函数出现，否则调用时无法区分到底使用哪一个。区分两个函数靠的不仅是函数名，还有函数的参数列表。如果多个函数拥有相同的函数名，但参数列表不同，则称为函数重载
    • 函数标志符与参数列表可以唯一确定一个函数
  • • 虽然上述 4 个函数的名字都是“function”，但参数列表不同，所以可以共存于一个程序中。只是在调用时，需要传入不同的实参，以便调用所需的目标函数。
  • 函数的返回类型不能用来区别函数。如果两个函数仅返回类型不同，则第二个出现的函数会被认为是对第一个函数的错误重复。
  • 重载的意义
    • 其实重载早在 C 语言中就已经存在了，例如各种算术运算符。整数和浮点数在内存中的表示方式是不一样的，但在进行各种算术运算时用的运算符却都是一样的
      • 1+ 2
      • 1.0 + 2.0
    • C++语言将重载进行了进一步扩展，不仅运算符可以重载，而且函数也可以重载。这样，一个函数名就可以应用到不同的参数列表上，从而对不同的参数列表采取不同的操作。
    • 定义一组函数，其目的相似，但是参数（类型或数量）不同，此时就应当使用函数重载。因为目的相似，所以可以用同一个函数名来标识。或许读者会想到给函数名加上不同的前缀或后缀来区别函数，从而避免重载，但那样做无疑会使程序变得复杂。
    • “函数重载”重载的其实是函数名，因此准确的说法是“函数名重载”。不过“函数重载”已经受到广泛的认同，在后文中将不加区别地使用这两种说法。
  • 示例
  • 函数重载解析
    • 如果一个函数名被重载，那么在调用时选择函数的过程就是重载解析。
    • • 确定实参列表的属性，确定候选函数的集合。
      • 根据实参的个数和类型确定合适的函数。
        • 如果函数重载解析过程的第二步没有找到任何合适的函数，则函数调用就是错误的。
      • 选择精确匹配的函数。
        • 为了选择这个函数，从实参类型到相应可行函数参数所用的转换都要划分等级。
        • 应用在实参上的转换，不比调用其他可行函数所需的转换差。
        • 在某些实参上的转换，要比其他可行函数对该参数的转换好。
• 函数的指针
  • 指向函数的指针，函数的指针也是一个变量
    • 可以指向不同的函数
  • 功能
    • 通过函数指针可以调用其指向的函数，从而使函数调用更加灵活
  • 函数的地址
    • 函数也是有地址的。编译之后的函数，其实是一组指令的集合。这样一组指令在程序运行时存在于内存中，其起始地址就是该函数的地址，也称做函数的入口地址。
    • 表示方法
      • 可以用函数名来表示函数的地址
      • 在函数名之前加上取地址符号“&”表示函数的地址。
    • • 函数名“Add”以及“&Add”都表示Add函数的地址
    • • 内存地址0x401390即函数Add在内存中的地址。
      • 可以使用强制类型转换，将该地址保存在一个长整型变量中：
      • 也可以通过库函数或者cout对象将Add函数的地址输出到显示器上
  • 定义函数的指针
    • 声明
      • 在函数声明的基础上做一个小小的改变，就可以将其变成一个函数指针的声明。
      • 例如对于Add函数，只要将函数名Add替换成一个函数指针名，例如“pf”，并在其前面加上“(*”、在后面加上“)”
        • int (*pf)(int a, int b)
          • 定义了函数指针变量pf
        • 函数指针名“*pf”两侧的括号不能省略，否则就成了一个返回“int *”类型的函数声明。正是这个括号使得星号“*”和标识符“pf”组成一个整体，表示pf是一个指针。