第7章函數(shù)

1、第7章 函數(shù),C語言程序設(shè)計,本章學(xué)習(xí)內(nèi)容,? 函數(shù)定義、函數(shù)調(diào)用、函數(shù)原型、函數(shù)的參數(shù)傳遞與返回值? 遞歸函數(shù)和函數(shù)的遞歸調(diào)用? 函數(shù)封裝，函數(shù)復(fù)用，函數(shù)設(shè)計的基本原則，程序的健壯性? 變量的作用域與存儲類型，全局變量、自動變量、靜態(tài)變量、寄存器變量? “自頂向下、逐步求精”的模塊化程序設(shè)計方法,數(shù)學(xué)中的函數(shù),自變量,因變量,函數(shù)名,程序設(shè)計中的函數(shù),程序設(shè)計中的函數(shù)不局限于計算計算類，如打印階乘表的程序……判斷

2、推理類，如排序、查找……,問題的提出,讀多少行的程序能讓你不頭疼？假如系統(tǒng)提供的函數(shù)printf()由10行代碼替換，那么你編過的程序會成什么樣子？實際上一個printf()有上千行代碼main()中能放多少行代碼？如果所有代碼都在main()中，怎么團(tuán)隊合作？如果代碼都在一個文件中，怎么團(tuán)隊合作？,問題的提出,《三國演義》中有這樣一段描寫：懿問曰：“孔明寢食及事之煩簡若何？”使者曰：“丞相夙興夜寐，罰二十以上皆親覽焉。所啖

3、之食，日不過數(shù)升?！避差欀^諸將曰：“孔明食少事煩，其能久乎？”此話音落不久，諸葛亮果然病故于五丈原。“事無巨細(xì)”，“事必躬親” 管理學(xué)的觀點是極其排斥這種做法的，認(rèn)為工作必須分工，各司其職其中的思想，在程序設(shè)計里也適用,7.1分而治之與信息隱藏,分而治之（ Divide and Conquer,Wirth, 1971 ）函數(shù)把較大的任務(wù)分解成若干個較小的任務(wù)，并提煉出公用任務(wù)信息隱藏（Information Hiding,

4、 Parnas, 1972）設(shè)計得當(dāng)?shù)暮瘮?shù)可把具體操作細(xì)節(jié)對外界隱藏起來，從而使整個程序結(jié)構(gòu)清楚使用函數(shù)時，不用知道函數(shù)內(nèi)部是如何運作的，只按照我們的需要和它的參數(shù)形式調(diào)用它即可,程序設(shè)計的藝術(shù),算法設(shè)計藝術(shù)程序的靈魂Donald E. Knuth,“The Art of Computer Programming”, 清華大學(xué)出版社（英），國防工業(yè)出版社（中）結(jié)構(gòu)設(shè)計藝術(shù)程序的肉體模塊化（Parnas, 1972）

5、結(jié)構(gòu)化（Structural）面向?qū)ο螅∣bject-Oriented）面向組件（Component-Oriented）面向智能體（Agent-Oriented）……,函數(shù)是C語言中模塊化編程的最小單位可以把每個函數(shù)看做一個模塊（ Module ）如把編程比做制造一臺機(jī)器，函數(shù)就好比其零部件可將這些“零部件”單獨設(shè)計、調(diào)試、測試好，用時拿出來裝配，再總體調(diào)試。這些“零部件”可以是自己設(shè)計制造/別人設(shè)計制造/現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品

6、,7.2 函數(shù)的定義,7.2 函數(shù)的定義,若干相關(guān)的函數(shù)可以合并成一個“模塊”一個C程序由一個或多個源程序文件組成一個源程序文件由一個或多個函數(shù)組成,,7.2.1函數(shù)的分類,函數(shù)生來都是平等的，互相獨立的，沒有高低貴賤和從屬之分main( )稍微特殊一點點C程序的執(zhí)行從main ( )函數(shù)開始調(diào)用其他函數(shù)后流程回到main ( )函數(shù)在main ( )函數(shù)中結(jié)束整個程序運行,7.2.1函數(shù)的分類,標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)ANSI/ISO

7、 C定義的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的C語言編譯器必須提供這些函數(shù)函數(shù)的行為也要符合ANSI/ISO C的定義第三方庫函數(shù)由其他廠商自行開發(fā)的C語言函數(shù)庫不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，能擴(kuò)充C語言的功能（圖形、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等）自定義函數(shù)自己定義的函數(shù)包裝后，也可成為函數(shù)庫，供別人使用,7.2.2函數(shù)的定義（Function Definition）,類型 函數(shù)名(類型 參數(shù)1, 類型 參數(shù)2, ……){聲明語句序列

8、 可執(zhí)行語句序列 return 表達(dá)式;},返回值類型,函數(shù)名標(biāo)識符，說明運算規(guī)則,參數(shù)表相當(dāng)于運算的操作數(shù),,返回運算的結(jié)果,函數(shù)出口,類型 函數(shù)名(類型 參數(shù)1, 類型 參數(shù)2, ……){ 聲明語句序列 可執(zhí)行語句序列 return 表達(dá)式;},,參數(shù)表里的變量（叫形式參數(shù)，F(xiàn)ormal Parameter）也是內(nèi)部變量,,函數(shù)體,7.2.2函數(shù)的定義（Function Defini

9、tion）,void 函數(shù)名(void){聲明語句序列 可執(zhí)行語句序列 return;},函數(shù)無返回值，用void定義返回值類型,用void定義參數(shù)，表示沒有參數(shù),return語句后無需任何表達(dá)式,7.2.2函數(shù)的定義（Function Definition）,【例7.1a】 計算整數(shù)n的階乘n！,/* 函數(shù)功能： 用迭代法計算n! 函數(shù)入口參數(shù)： 整型變量n表示階乘的階數(shù) 函數(shù)返回

10、值： 返回n!的值*/long Fact(int n) /* 函數(shù)定義 */{ int i; long result = 1; for (i=2; i<=n; i++) { result *= i; } return result; },,,,,,,返回值類型,函數(shù)名說明函數(shù)的功能,返回值作為函數(shù)調(diào)用表達(dá)式的值,,形參

11、表，函數(shù)入口,函數(shù)內(nèi)部可以定義只能自己使用的變量，稱內(nèi)部變量,函數(shù)名(表達(dá)式1, 表達(dá)式2, ……);實際參數(shù)(Actual Argument )函數(shù)調(diào)用(Founction Call)時提供的表達(dá)式有返回值時放到一個數(shù)值表達(dá)式中 c = max(a,b);作為另一個函數(shù)調(diào)用的參數(shù) c = max(max(a,b),c); printf("%d\n", max(a,b));無返回值時函數(shù)

12、調(diào)用表達(dá)式 display(a,b);,7.3向函數(shù)傳遞簡單變量的值和從函數(shù)返回值,函數(shù)的參數(shù)傳遞,實參和形參必須匹配數(shù)目一致，類型一一對應(yīng)（否則會發(fā)生自動類型轉(zhuǎn)換）,【例7.1】,7.3.2函數(shù)原型（Function Prototype）,在調(diào)用函數(shù)前先聲明其返回值類型、函數(shù)名和參數(shù)函數(shù)原型有助于編譯器對函數(shù)參數(shù)類型的匹配檢查,,末尾有一個分號，聲明時不要省略形參和返回值的類型,【例7.1】,,函數(shù)定義與函數(shù)聲明的區(qū)別,函數(shù)

13、定義指函數(shù)功能的確立指定函數(shù)名、函數(shù)類型、形參及類型、函數(shù)體等是完整獨立的單位 函數(shù)聲明是對函數(shù)名、返回值類型、形參類型的說明不包括函數(shù)體是一條語句，以分號結(jié)束，只起一個聲明作用,7.3.3函數(shù)封裝與防御性程序設(shè)計,函數(shù)封裝（Encapsulation）使得外界對函數(shù)的影響僅限于入口參數(shù)，而函數(shù)對外界的影響僅限于一個返回值和數(shù)組、指針類型的參數(shù),【例7.1】,Why?,傳入負(fù)數(shù)實參會怎樣？,防御性程序設(shè)計（Defensi

14、ve Programming）,如何使函數(shù)具有遇到不正確使用或非法數(shù)據(jù)輸入時避免出錯的能力，增強(qiáng)程序的健壯性？ 在函數(shù)的入口處，檢查輸入?yún)?shù)的合法性,【例7.2】 計算整數(shù)n的階乘n！,,如何使函數(shù)具有遇到不正確使用或非法數(shù)據(jù)輸入時避免出錯的能力，增強(qiáng)程序的健壯性？ 在函數(shù)的入口處，檢查輸入?yún)?shù)的合法性,,,,防御性程序設(shè)計（Defensive Programming）,【例7.2】計算整數(shù)n的階乘n！,主函數(shù)如何修改？增加對函數(shù)

15、返回值的檢驗,,,,防御性程序設(shè)計（Defensive Programming）,【例7.3】計算整數(shù)n的階乘n！,傳入負(fù)數(shù)的實參時Fact()會返回-1嗎？存在死代碼的原因何在？,,防御性程序設(shè)計（Defensive Programming）,【例7.3】計算整數(shù)n的階乘n！,,如何修改程序去除冗余代碼？如何保證不會傳入負(fù)數(shù)實參？,防御性程序設(shè)計（Defensive Programming）,【例7.2】計算整數(shù)n的階乘n！,【例

16、7.4】編寫計算組合數(shù)的程序,,函數(shù)復(fù)用,7.3.4函數(shù)設(shè)計的基本原則,信息隱藏,入口參數(shù)有效性檢查敏感操作前的檢查調(diào)用成功與否的檢查,函數(shù)的嵌套調(diào)用,嵌套調(diào)用在調(diào)用一個函數(shù)的過程中，又調(diào)用另一個函數(shù)C語言規(guī)定函數(shù)不能嵌套定義，但可以嵌套調(diào)用函數(shù)是相互平行的,main(){……a();},,a 函數(shù){b();…return;},,,b函數(shù){……return;},,,①,③,④,⑤,,⑥

17、,,⑦,②,,,7.4 函數(shù)的遞歸調(diào)用和遞歸函數(shù),如果一個對象部分地由它自己組成或按它自己定義，則我們稱它是遞歸（Recursive）的。生活中，字典就是一個遞歸問題的典型實例字典中的任何一個詞匯都是由“其他詞匯”解釋或定義的，但是“其他詞匯”在被定義或解釋時又會間接或直接地用到那些由它們定義的詞遞歸方法的基本原理將復(fù)雜問題逐步化簡，最終轉(zhuǎn)化為一個最簡單的問題最簡單問題的解決就意味著整個問題的解決,遞歸函數(shù)（Recursive

18、 Function）,long fact(int n) { if (n < 0) return -1; else if (n == 0 || n == 1) return 1; else return n * fact(n-1); },,,【例7.5】計算n！= n *(n-1)*(n-2)*……*1,函數(shù)直接或間接調(diào)用自己，稱為遞歸調(diào)用（Recursive

19、Call）,遞歸函數(shù)（Recursive Function）,unsigned long fact(unsigned int n) { if (n == 0 || n == 1) return 1;else return n * fact(n-1); },,,,基線情況(base case),一般情況(general case),無需考慮n<0了,【例7.5】計算n！= n *(n-1)*(n-2)*…*1

20、,遞歸函數(shù)（Recursive Function）,遞歸調(diào)用應(yīng)該能夠在有限次數(shù)內(nèi)終止遞歸遞歸調(diào)用若不加以限制，將無限循環(huán)調(diào)用必須在函數(shù)內(nèi)部加控制語句，僅當(dāng)滿足一定條件時，遞歸終止，稱為條件遞歸任何一個遞歸調(diào)用程序必須包括兩部分遞歸循環(huán)繼續(xù)的過程遞歸調(diào)用結(jié)束的過程,if (遞歸終止條件成立) return 遞歸公式的初值; else return 遞歸函數(shù)調(diào)用返回的結(jié)果值;,n!=n×(n-1)

21、! (n-1)!=(n-1)×(n-2)! (n-2)! … (n-3)! 5! … 4!=4×3! 3!=3×

22、;2! 2!=2×1! 1!=1,,,回推過程,遞推過程,每個遞歸函數(shù)必須至少有一個基線條件一般情況必須最終能簡化為基線條件,遞歸層數(shù)太多易導(dǎo)致?？臻g溢出后果很嚴(yán)重，程序被異常中止,fact(5)=5*fact(4)= 120 fact(4)= 4*fact(3)= 24 fact(3)= 3*f

23、act(2)= 6 fact(2)= 2*fact(1)=2 fact(1)=1,,main,fact(5),fact(4),fact(3),fact(2),fact(1),遞歸與迭代,用迭代（即循環(huán)）方法編寫的階乘函數(shù)unsigned long Fact(unsigne

24、d int n){ unsigned long result = 1; unsigned int i; for (i = 1; i <= n; i++) result *= i; return result;}遞歸程序遵循了數(shù)學(xué)中對階乘的定義因此遞歸方法編寫程序具有更清晰、可讀性更好的優(yōu)點,遞歸與迭代,1，1，2，3，5，8，......,long Fib(int n){long

25、f;if (n == 0) f = 0;else if (n == 1) f = 1;else f = Fib(n-1) + Fib(n-2);return f;},【例7.6】計算Fibonacci數(shù)列,遞歸與迭代,優(yōu)點：從編程角度來看，比較直觀、精煉，邏輯清楚符合人的思維習(xí)慣，逼近數(shù)學(xué)公式的表示尤其適合非數(shù)值計算領(lǐng)域hanoi塔，騎士游歷、八皇后問題（回溯法）缺點：增加了函數(shù)調(diào)用的開銷，每次調(diào)用都需要

26、進(jìn)行參數(shù)傳遞、現(xiàn)場保護(hù)等耗費更多的時間和棧空間應(yīng)盡量用迭代形式替代遞歸形式,7.5變量的作用域和存儲類型,7.5.1變量的作用域 （ Scope ）指在源程序中定義變量的位置及其能被讀寫訪問的范圍分為局部變量（Local Variable） 全局變量（Global Variable ),局部變量（ Local Variable ）,在語句塊內(nèi)定義的變量形參也是局部變量特點生存期是該語句塊，進(jìn)入語句塊時獲得內(nèi)存，僅能由語

27、句塊內(nèi)語句訪問，退出語句塊時釋放內(nèi)存，不再有效定義時不會自動初始化，除非程序員指定初值并列語句塊各自定義的同名變量互不干擾 形參和實參可以同名,全局變量（ Global Variable ）,在所有函數(shù)之外定義的變量生存期是整個程序，從程序運行起占據(jù)內(nèi)存，程序運行過程中可隨時訪問，程序退出時釋放內(nèi)存有效范圍是從定義變量的位置開始到本程序結(jié)束,全局變量（ Global Variable ）,【例7.7】打印計算Fibonacci

28、數(shù)列每一項時所需的遞歸調(diào)用次數(shù),,全局變量使函數(shù)間的數(shù)據(jù)交換更容易，更高效，但建議盡量少用，因為誰都可改寫它，所以很難確定是誰改寫了它,,7.5.2變量的存儲類型（ Storage Class）,指數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲的方式即編譯器為變量分配內(nèi)存的方式，它決定變量的生存期 存儲類型 數(shù)據(jù)類型 變量名;C程序的存儲類別auto型（自動變量）static型（靜態(tài)變量）extern型（外部變量）r

29、egister型（寄存器變量）,,,靜態(tài)存儲區(qū)中的變量：與程序“共存亡” 動態(tài)存儲區(qū)中的變量：與程序塊“共存亡” 寄存器中的變量： 同動態(tài)存儲區(qū),變量的生存期（Lifetime ）決定何時“生”，何時“滅”,,7.5.2變量的存儲類型（ Storage Class）,auto 數(shù)據(jù)類型 變量名;auto體現(xiàn)在進(jìn)入語句塊時自動申請內(nèi)存，退出時自動釋放內(nèi)存動態(tài)局部變量，缺省的存儲類型靜

30、態(tài)變量 static 數(shù)據(jù)類型 變量名;static storage class for local variables (declared inside a block or function) - the lifetime of the entire program生存期為整個程序運行期間,自動變量和靜態(tài)變量,,自動變量和靜態(tài)變量,【例7.9】,自動變量不初始化時，值是隨機(jī)值，靜態(tài)局部變量和全局變量自動初始化為0值

31、,【例7.10】利用靜態(tài)變量計算整數(shù)n的階乘n！,,自動變量和靜態(tài)變量,靜態(tài)變量僅初始化一次，變量的值可保存到下次進(jìn)入函數(shù)，使函數(shù)具有記憶功能,寄存器變量,寄存器CPU內(nèi)部容量有限、但速度極快的存儲器 register 類型名 變量名; 使用頻率比較高的變量聲明為register ，可使程序更小、執(zhí)行速度更快現(xiàn)代編譯器有能力自動把普通變量優(yōu)化為寄存器變量，并且可以忽略用戶的指定所以一般無須特別聲

32、明變量為register,全局變量,,靜態(tài)外部變量 （只限本文件使用）,外部變量 （非靜態(tài)外部變量，允許其他文件引用）,局部變量,,自動變量，（離開函數(shù)，值就消失）,寄存器變量（離開函數(shù)，值就消失）,,定義點之前使用，需用extern聲明,靜態(tài)局部變量 （離開函數(shù)，值仍保留）,動態(tài)局部變量,,7.5變量的作用域和存儲類型,7.6模塊化程序設(shè)計,模塊各司其職每個模塊只負(fù)責(zé)一件事情，它可以更專心便于進(jìn)行單個模塊的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試、測

33、試和維護(hù)等工作一個模塊一個模塊地完成，最后再將它們集成開發(fā)人員各司其職按模塊分配任務(wù)，職責(zé)明確并行開發(fā)，縮短開發(fā)時間什么時候需要模塊化？某一功能，如果重復(fù)實現(xiàn)3遍以上，即應(yīng)考慮模塊化，將它寫成通用函數(shù)，并向小組成員發(fā)布,7.6模塊化程序設(shè)計,模塊化的優(yōu)點——復(fù)用構(gòu)建新的軟件系統(tǒng)可以不必每次從零做起，直接使用已有的經(jīng)過反復(fù)驗證的軟構(gòu)件，組裝或加以合理修改后成為新的系統(tǒng)，提高軟件生產(chǎn)率和程序質(zhì)量在其他函數(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)造程序拿

34、來拿去主義，指盡可能復(fù)用其他人現(xiàn)成的模塊不是人類懶惰的表現(xiàn)，而是智慧的表現(xiàn)一般要靠日積月累才能建立可以被復(fù)用的軟件庫前期投入多，缺乏近期效益，大部分公司都注重近期效益，是為了生存，所以軟件復(fù)用對公司來說不是最高優(yōu)先級,7.6模塊化程序設(shè)計,功能分解自頂向下、逐步求精的過程模塊分解的基本原則保證模塊的相對獨立性——高聚合、低耦合模塊的實現(xiàn)細(xì)節(jié)對外不可見——信息隱藏外部：關(guān)心做什么；內(nèi)部：關(guān)心怎么做設(shè)計好模塊接口接口指羅

35、列出一個模塊的所有的與外部打交道的變量等 定義好后不要輕易改動在模塊開頭（文件的開頭）進(jìn)行函數(shù)聲明,7.6模塊化程序設(shè)計,逐步求精（Stepwise Refinement）由不斷的自底向上修正所補(bǔ)充的自頂向下（Top-down）的程序設(shè)計方法,【例7.11】用函數(shù)完成猜數(shù)游戲,猜多個數(shù)，10次猜不對就猜下一個數(shù)模塊分解過程,開始,結(jié)束,初始化,退出處理,主功能,為程序運行所做的準(zhǔn)備工作,在退出前要做的事情，如打印結(jié)果、資源釋放

36、等,自底向上,自頂向下的模塊化程序設(shè)計,,【例7.11】用函數(shù)完成猜數(shù)游戲,,開始,結(jié)束,生成數(shù)字,猜數(shù)字,【例7.11】用函數(shù)完成猜數(shù)游戲,開始,結(jié)束,生成數(shù)字,猜數(shù)字,是否繼續(xù)？,N,Y,,,,【例7.11】用函數(shù)完成猜數(shù)游戲,開始,結(jié)束,猜得對嗎？,N,Y,提示大小,次數(shù)<10？,輸入數(shù)字,,N,,Y,,處理用戶輸入，判斷是否有輸入錯誤，是否在合法的數(shù)值范圍內(nèi),【例7.11】用函數(shù)完成猜數(shù)游戲,,【例7.11】用函數(shù)完成猜

37、數(shù)游戲,,,,【例7.11】用函數(shù)完成猜數(shù)游戲,,,,,,【例7.11】用函數(shù)完成猜數(shù)游戲,int MakeNumber(void){ int number; number = (rand() % (MAX_NUMBER - MIN_NUMBER + 1) ) + MIN_NUMBER; assert(number >= MIN_NUMBER && number <= MAX_NU

38、MBER); return number;},使用斷言（Assert）防止某些參數(shù)獲得非法值，在程序調(diào)試和測試時發(fā)現(xiàn)錯誤,#include void assert(int expression);expression為真，無聲無息；為假，中斷程序斷言僅用于調(diào)試程序，不能作為程序的功能,斷言,用來測試某種不可能發(fā)生的狀況確實不會發(fā)生Debug版有效Release版失效考慮使用斷言的幾種情況檢查程序中的各種假設(shè)的正確

39、性證實或測試某種不可能發(fā)生的狀況確實不會發(fā)生,程序版式,縮進(jìn)(Indent)—保證代碼整潔、層次清晰的主要手段良好風(fēng)格的程序應(yīng)嚴(yán)格采用梯形層次對應(yīng)好各層次,int IsPrime(int n){ int k, i; k = sqrt((double)n); for (i=2; i<=k; i++) { if (n % i == 0) retu

40、rn 0; } return 1;},#include main(){ int i; for (i=2; i<100; i++) { if (IsPrime(i)) printf("%d\t",i); }},,程序版式,現(xiàn)在的許多開發(fā)環(huán)境、編輯軟件都支持自動縮進(jìn)根據(jù)用戶代碼的輸入，智能判斷應(yīng)該縮進(jìn)還是反縮進(jìn)，替用戶完

41、成調(diào)整縮進(jìn)的工作VC中有自動整理格式功能只要選取需要的代碼，按ALT+F8就能自動整理成微軟的cpp文件格式,命名規(guī)則,在Linux/UNIX平臺習(xí)慣用function_name 本書采用Windows風(fēng)格函數(shù)名命名用大寫字母開頭、大小寫混排的單詞組合而成 FunctionName 變量名形式“名詞”或者“形容詞+名詞”如oldValue與newValue等函數(shù)名形式“動詞”或者“動詞+名詞”（動賓詞組）如Get

42、Max()等,對函數(shù)接口進(jìn)行注釋說明,/* 函數(shù)功能：實現(xiàn)××××功能 函數(shù)參數(shù)：參數(shù)1，表示×× 參數(shù)2，表示×× 函數(shù)返回值： ×××××*/返回值類型 函數(shù)名(形參表){…return 表達(dá)式;},,,,,挑戰(zhàn)性的作業(yè)挑戰(zhàn)類型表示的極限 ——50位