用函数合理组织程序.ppt

1、6.1 模块化带来的好处,从软件工程的角度上说，降低程序复杂性的有效方法是合理的模块化和局部化。在设计一个复杂的程序时，往往把整个程序划分为若干个功能较为单一的模块，分别予以实现，再把所有的模块像搭积木一样搭起来，这种在程序设计中分而治之的策略，被称为模块化程序设计方法。在C+中，这些模块就是一个个的函数，函数也是C+构造程序的重要的基本单位。 语句是构成程序的最基本单位，函数也是由语句构成的，从程序设计的角度上说，函数（一系列语句）常被当成一个整体来看，这就降低了程序的复杂度。,6.1.1 函数的调用过程,在前面的学习中大家已经熟悉了main()函数，一个C+程序里包含一个主函数（即main

2、函数）和若干个其它函数，main()处于最顶层，其他函数作为其下层模块，main()函数调用其它函数，其它函数之间也可以互相调用。图6.1为一个C+程序的模块结构图，程序的执行过程为ABCDEFGHIJKMN。 任何一个C+程序都是从main()函数开始执行，而且是只执行main()函数，从main()的前花括号开始，到main()的后花括号为止，在此过程中，如果碰到函数调用语句（如中的“函数1;”），便暂时中断main()的执行，将程序流程转到被调用函数（对应中的B），执行完被调用函数或遇到return语句则返回main()函数（对应中的H），继续执行，一个函数也可以调用其他函数（如中函数1

3、调用函数3），这时的调用过程与main()函数调用其他函数过程类似，常称为函数嵌套。,6.1.2 抽象和封装,面向过程的程序设计是基于功能分析的，最关心的是如何实现一个模块的功能以及如何使用这个模块，至于模块内部的结构，对其他模块来说是不重要的，完全可隐藏的。对函数而言，这个道理同样适用，在第2章主函数小节中提到了函数由函数头和函数体两部分组成，而函数头定义了函数和调用它的函数之间的接口。在C+程序中，函数可以看成一个封装体，将一系列相关的、实现某一功能的代码封装起来，并提供了一个使用方法（程序中常称接口），通过该接口可以在程序的任何地方使用这些代码完成特定功能，至于函数是如何编写的，可能并不

4、是用户关心的重点，用户真正关心的是这个函数如何使用。,6.1.3 实现一个函数,实现一个函数有3个步骤：定义、声明与调用，拿电影来做比喻，定义等价于电影的拍摄，声明等价于电影院得到放映许可，调用是电影院放电影，电影院可以自行拍摄，也可以拿别的单位拍的电影来放，在程序中，这意味着可以自己定义函数，也可以使用诸如标准库或第三方库提供的函数，但在使用前，都要进行声明，通知编译器函数的存在，以获得函数的使用许可，才能进行调用，声明后，程序可以多次调用函数，等同于电影院在获得放映许可后，可以多次放映影片。见示例代码61：,6.2 函数定义,函数定义由函数头和函数体两部分组成，其基本形式为： 返回类型 函

5、数名(参数列表) 函数体 函数定义通过这一结构告诉编译器要进行的操作。 最小的函数 - 无返回值、无参数 void MyFunction1(void) ,6.2.1 函数头,第一行“返回值类型 函数名(参数列表)”称为函数头，定义了函数和调用它的函数之间的接口： （1）函数名 上级函数通过函数名实现对函数的调用，函数名是一个符合C+语法要求的标识符，定义函数名与定义变量名的规则是一样的，但应尽量避免用下划线开头，因为编译器常常定义一些下划线开头的变量或函数。函数名应尽可能反映函数的功能，做到“望文知义”。 （2）参数列表 0个或多个变量，用于向函数传送数值或从函数带回数值，每个参数都应采取“类

6、型 变量名”形式，参数列表中的参数称为形式参数，简称形参。编译器并不会在函数定义时为这些参数分配内存空间，只有在函数调用时，向函数传递了实参后，这些参数才称为程序实体，形参相当于剧本中的角色，而实参是演员，在中，函数定义中的x和y是剧本角色，而变量num1和num2是演员，num1扮演了x的角色，num2扮演了y的角色。如果参数表列中参数个数为0，我们称之为无参函数，无参函数可以定义为： 返回类型 函数名( ) 或 返回类型 函数名(void) （3）返回类型 指定函数用return返回的函数值的类型，如果函数没有返回值，返回类型应为void。C+对返回值的类型有一定限制，不能是数组，但可以是

7、其他任何类型，如整型、浮点型、指针，甚至是结构和共用体等。,6.2.2 函数体,花括号中的语句称为函数体，一个函数的功能，通过函数体中的语句来完成，函数体指明了函数要进行的操作及操作顺序。 程序执行到函数体中的return语句返回，在函数体中可以有多个return语句，但函数只能有一个出口，换句话说，只执行一条返回语句，返回语句的基本形式为： return 表达式; 表达式的类型应当与函数头中指定的返回类型一致，否则，编译器会根据函数头中指定的返回类型对表达式进行转换。 返回主要起如下作用： （1）撤销函数调用时为参数和变量分配的栈内存空间； （2）向调用函数（上级）返回最多一个值（表达式的值

8、）； （3）将程序流程从当前函数返回上级函数。 代码6.1中，add函数的定义如下： int add (int x, int y) int z = x + y; return z; ,6.2.3 函数定义补充说明,当函数的返回类型是void时，表明函数不向上级函数返回任何值，这时可以用一个空的“return;”语句，将程序流程返回，撤销函数调用时为参数和变量分配的栈内存空间，空的“return;”语句位于函数末尾时，该语句可以省略，用函数体的后花括号实现函数的返回即可。 通常用返回类型为void的函数执行某些操作，见代码62 。 int main() void print();/函数声明 pr

9、int();/函数调用 return 0; void print()/函数定义,void表示没有返回值 int n; coutn; cout你输入的数是：nendl; ,6.3 函数声明,函数声明，也称函数原型。函数声明，用以通知编译器函数的存在，以获得函数的使用许可，惟其如此，才能在程序中对函数进行调用。,6.3.1 为什么要进行函数声明,函数声明描述了函数和编译器间的接口，想要调用一个函数，必须在调用函数中必须对被调用函数进行说明。 在代码61中，main()函数中的“int add(int x,int y);”用于在main()函数内声明add函数，使其在main()函数内可用，同时告诉

10、编译器，add函数接收两个int型的输入参数，如果程序没有提供这样的参数，编译器便会指出错误，或对传入的其他类型参数进行隐式转换，在add函数完成计算后，将把返回值放置到指定位置（可能是CPU寄存器，也可能是某个内存单元），然后上级函数（代码61中为main()函数）从这个位置取得返回值，add函数的声明指出了返回值类型为int，编译器借此知道应检索多少内存字节并对这些字节作出解释。图6.2形象化地说明了代码61中的函数声明的作用和返回值机制。,6.3.2 如何声明一个函数,函数声明类似于函数定义，不过没有实现代码，函数说明的一般形式如下： 返回类型 函数名(参数表列); 函数声明是一个语句，

11、所以要以分号结束，在书写函数声明时，只要把函数头复制下来，并在末尾添加分号即可。 语句结尾处有无分号常常可用来区分是函数声明还是函数定义。 如代码6.1中的“int add(int x, int y);”，不过，函数声明只要与函数定义一致，能提供给编译器足够的信息即可，因此，C+中的函数声明不要求提供变量名，add函数的声明可以写成： int add(int, int); 从中编译器得知：函数名为add，接收两个int型的参数，返回值类型为int，这些信息已经足够，“int add(int x,int y);”中的变量名x和y仅仅起到增强程序可读性的作用，而且，这个变量名也可以与函数定义中的形

12、参不同，也就是说，将声明语句写成下列形式丝毫不会影响程序的编译和运行。 int add(int A, int B);,6.3.3 分割程序文件,一些程序常常由许多文件组成，为了方便管理，常常将函数定义在cpp文件中，而将函数的声明语句放在与cpp文件同名的头文件（h文件）中，这样就可以通过编译预处理 #include 或#include “xxx.h” 实现函数的声明，这种方法在大型程序文件的组织中十分有用，见代码6.3。 #include 用于C+系统提供的头文件，这些头文件一般位于C+系统目录下的include子目录下，而 #include “xxx.h” 适用于用户自己建立的头文件，预处

13、理器接收到该指令后，会首先在当前文件所在目录中进行搜寻，如果找不到，再到C+系统头文件中寻找。,6.4 函数调用,在前面的代码中，读者已经知道了如何调用一个函数，函数定义和函数声明的目的都是为了函数调用，唯有函数调用才是利用函数实现某个功能的过程，函数调用的基本形式为： 函数名(实参列表)； 对于无参函数，其调用形式为： 函数名(); 函数调用由函数名和函数调用运算符（）组成，（）内有0个或多个逗号分隔的参数（称为实参）。每一个参数是一个表达式，且参数的个数与参数的类型要与被调函数定义的参数（称为形参）个数和类型匹配，首先计算参数表达式的值，并将此值传递给形参。如果函数调用后有返回值，调用表达

14、式可以用在表达式中，如中的 int numTotal=add(num1,num2);，而无参函数的调用必须是一个单独的语句，如 print();。 函数调用的主要作用是： (1)用实参向形参传递数据； (2)为获得数据的参数和函数中声明的变量分配临时存储空间； (3)中断当前正在运行的上级调用函数，将程序流程转到被调用函数的入口处。,6.4.1 形参和实参,形参和实参，类似与剧本角色和演员的关系，同一个角色可以由不同的演员来扮演，只有在演员扮演的过程中，角色才是鲜活、有意义的。前面的章节已经提到，在函数定义时，并不会为参数列表中的参数分配内存空间，只有在函数调用时，才为形参分配内存空间，并用实

15、参的值为其赋值，在执行到函数结束时，程序会撤销调用过程中为参数和中间变量分配的内存空间。代码64演示了形参和实参的关系： int main() int n = 2; cout 地址： 程序运行结果：地址：0013FF7C 数值：2 地址：0013FF2C 数值：2（注意：print函数中的参数n和main函数中的参数n占据不同的内存地址）,6.4.2 参数类型转换,调用函数时，如果实参类型与形参类型不匹配，编译器会对实参自动进行类型转换（隐式转换），形参的类型，取决于函数的声明语句，见代码65。 int main() double m = 12;/声明一个double型变量m void pri

16、nt(int);/函数声明 print(m);/函数调用时，实参m隐式转换为int型传递给形参 return 0; void print(int n)/函数定义 cout数值：nendl; 程序运行结果：数值：2,6.4.3 值传递,很多C+教科书在讲述函数传值调用时都会举下面这个例子，见代码66 。 int main() void change(int, int);/函数声明 int x = 2, y = 3; cout 交换前：x= x ,y= y endl; change(x, y);/传值调用 cout 交换后：x= x ,y= y endl; return 0; void chang

17、e(int n, int m)/函数定义 int temp; temp = n; n = m; m = temp; 输出结果： 交换前：x = 2， y = 3； 交换后：x = 2， y = 3；,6.4.4 指针传递,要想被调函数改变调用函数中的变量值，应使函数中的操作直接作用在调用函数的变量上，要达到目的，一个有效途径是使用指针传递，先看代码67 。 int main() void change(int *, int *);/函数声明，形参为指针类型 int x = 2, y = 3; cout 交换前：x= x ,y= y endl; change( 输出结果： 交换前：x = 2，

18、y = 3； 交换后：x = 3， y = 2；,6.4.5 引用传递,在第4章中已经提及，对变量的引用相当于变量的别名，以“int ,6.4.6 对3种传递的补充（函数返回值）,3种传递方式不仅仅是参数传递，函数返回某个值也有值传递、指针传递和引用传递3种方式。 代码6.9是使用范例。 返回值为指针和引用类型时，要注意函数内定义或声明的变量为自动（临时）变量，这些变量在函数结束后会被自动撤销，其占用的内存也会被系统收回；也就是说此时返回的指针和引用都是无效的。例如： int * minus(int m, int n) int k = 0;int * z = 函数执行完毕后，指针z和函数中的变

19、量被撤销，可能导致程序崩溃。,6.4.7 缺省参数调用,缺省参数调用的基本思想是在声明语句中预先初始化一些参数的值，在调用语句中相应的参数可以缺省。 缺省参数调用的规则 （1）定义时，缺省参数必须按照从右向左顺序； （2）调用时，如某一参数缺省，其后的参数也必须缺省。,6.4.8 inline函数,函数的引入可以减少程序的代码量，使得函数程序可以在代码间共享。但函数调用需要一些时空开销，在调用函数时，要中断调用函数，将执行流程转移到被调函数中，待被调函数执行完毕后，返回调用函数。因此，在调用函数前，应保护被调函数现场，记录程序当前位置，以方便从被调函数中返回，恢复现场，并从原来的位置处继续执行

20、。 对于较长的函数，这种开销可以忽略不计，但对于一些很短的、频繁调用的函数体，这种开销就不能不能忽视。举例来说，代码6.3中的print函数定义如下： void print(int x) coutxendl; ,6.5 递归（略）,除了main()函数外，C+函数可以调用自身，这称为递归，是一种通用的编程技术，可以有效降低问题的复杂度，为解决某些问题提供了极大的方便，首先来看一个用以求阶乘的函数，对于一个整数n，其阶乘n！定义为： n!=n*(n-1)*(n-2)*3*2*1 0的阶乘为1，读者可以从阶乘定义中总结出以下规律，对n0而言： n!=n*(n-1)! 直观上，可以用循环语句计算n的

21、阶乘，如下列代码所示： int Calc(int n) int res=1; for(int i=1; i=n; i+) res*=I; return res; ,6.6 函数的重载,自然语言中，一个词可以有不同的含义，即该词被重载了，人们可以根据上下文判断该词的意义，在C+程序，可以将语义、功能相似的几个函数用同一个名字来表示，这样便于记忆，提高了函数的易用性，称为函数重载。函数重载的示例见代码613 。,6.6.1 何时使用函数重载,将不相关的函数都用同样的名字来命名不是个明智的选择，将降低程序的可读性，使程序难以理解，因此，函数重载必须用在合适的场合。 函数名相同，最重要的一点是函数要完

22、成的任务一样（至少是类似），比如，都用来输出信息，或都用来和某个硬件打交道等，避免函数名字相同，但功能完全不同的情形。其次，形式参数的类型应不同，对于形参类型相同，只有形参个数不同的场合，就无需定义两个函数，采用前面提及的缺省参数调用机制，只要定义一个函数即可。 不过，如果形参类型不同，缺省参数调用便不再适用，此时，应使用函数重载。,6.6.2 如何实现函数重载,当调用多个同名的重载函数时，要求能够唯一地确定应执行哪一个函数，这是通过函数参数的个数和类型来区分的。所以，重载的函数要求参数个数或者参数类型上不同，否则会出现编译错误。 C+中不允许几个函数名相同、形参个数和类型也相同，仅仅是返回值

23、不同的情形，否则，程序编译时会出现函数重复定义的错误，此时，编译器无法根据返回值不同决定具体要调用的函数。,6.6.3 陷阱：隐式转换导致重载函数出现二义性,调用重载的函数时，如果实参类型与形参类型不匹配，编译器会对实参自动进行类型转换。如果转换后仍然不能匹配到重载的函数，则会产生一个编译错误，见代码614。,6.7 C+如何使用内存,C+有3种管理数据内存的方式：自动存储（栈存储）、静态存储和动态存储（堆存储），不同的方式下，内存的分配形式，存在时间的长短都不同，其中，动态存储方式已经在第4章中进行了介绍，下面对自动存储和静态存储进行说明。,6.7.1 自动存储（栈存储）,对于在函数的形参、

24、内部声明的变量及结构变量等，编译器将在函数执行时为形参自动分配存储空间，在执行到变量和结构变量等的声明语句时为其自动分配存储空间，因此称其为自动变量（automatic variable），有的教科书也称其为局部变量，在函数执行完毕返回时，这些变量将被撤销，对应的内存空间将被释放。 事实上，自动变量的生存期只局限于它所在的代码块。所谓代码块，是包含在花括号对中的一段代码，函数只是代码块的一种，比较下面两段代码：,6.7.2 静态存储（编译器预分配）,每个C+程序对应着一块静态数据区（也称全局数据区）。在源程序编译时，编译器就为某些程序实体（某些变量及所有的常量）预分配存储地址和内存空间，程序一开始执行，这些程序实体就被创建，一直到程序结束才被撤销，并释放对应的内存空间，因此称其为“永久存储”。静态存储的程序实体的数目在程序运行过程中是不变的，因此无须使用特殊的机制（如堆、栈）来管理它们，编译器将分配固定的内存块来存储所有的静态存储实体。 常量已经在第2章进行了详细的介绍，下面对静态存储的变量进行讨论，根据用法不同，静态存储的变量可分为“全局变量”和“静态变量”。,6.8 作用域与可见域,在函数一节，讨论形参变量时曾经提到：形参变