C++ 學習筆記之(6)-函數、重載和指針

函數基礎

函數定義包括以下幾個部分

返回類型、函數名字、由0個或多個形參組成的列表以及函數體

局部對象

C++語言中，名字有作用域，對象有生命週期

名字的作用域是程序文本的一部分，名字在其中可見
對象的生命週期是程序執行過程中該對象存在的一段時間

自動對象

存在於塊執行期間的對象成爲自動對象，即執行到變量定義時創建對象，快末尾銷燬它。比如形參等。

局部靜態對象

在程序的執行路徑第一次經過對象定義語句時初始化，並且知道程序終止才被銷燬，即使所在的函數執行結束。

size_t count_calls()
{
    static size_t ctr = 0;  // 調用結束後，這個值仍然有效
    return ++ctr;
}
int main()
{
    for(size_t i = 0; i != 10; ++i)
        cout << count_calls() << endl;
    return 0;
}

函數聲明

函數原型：即函數聲明，包含返回類型，函數名和形參類型。
函數的聲明和函數的定義類似，區別是聲明無需函數體，用一個分號替代即可
定義函數的源文件應該把含有函數聲明的頭文件包含進來，編譯器負責驗證函數的定義和聲明是否匹配

參數傳遞

形參的初始化方式和變量的初始化方式一樣
引用傳遞：形參是引用類型，也被叫做傳引用調用，即引用形參是對應實參的別名
值傳遞：當實參的值拷貝給形參是，形參和實參是兩個獨立對象，也被稱爲傳值調用

傳值參數

指針形參：指針與非引用類型一樣，執行拷貝操作時，拷貝的是指針的值。兩個指針是不同的指針，但是由於指針可以間接訪問所指對象，所以指向的是統一內容
```
void reset(int *ip)
{
  *ip = 0; // 改變指針 ip 所指對象的值
    ip = 0;  // 只改變了 ip 的局部拷貝，實參未被改變
}
```

　傳引用參數

對於引用的操作實際上是作用在引用所引的對象上

void reset(int &i)
{
  i = 0;  // 改變了　ｉ　所引對象的值
}

使用引用避免拷貝
如果函數無需改變引用形參的值，最好將其聲明爲常量引用

const 形參和實參

實參初始化形參時會忽略掉頂層const，即形參的頂層const被忽略

void fcn(const int i) { /* fcn 能夠讀取 i， 但是不能向 i 寫值 */ }
void fcn(int i) {/* ... */}  // 錯誤：重複定義 fcn(int)

C++語言允許函數名字相同，但前提是形參列表應該有明顯區別，由於頂層const被忽略，故上述代碼中傳入兩個函數的參數可以完全一樣，故爲重定義
非常量能夠初始化底層const對象，反之不行
字面值能夠初始化常量引用
函數形參儘量使用常量引用
- 常量：避免函數內修改值，同時可以傳入普通參數和常量參數
- 引用：避免函數對參數進行拷貝，提高效率

知識點

C/C++中const關鍵字

數組形參

數組的兩個性質

不允許拷貝數組，故無法值傳遞
使用數組時通常會將其轉換成指針，故實際上傳遞給函數的是指向數組首元素的指針

// 下面三個函數等價，每個函數形參都是 const int*
void print(const int*);
void print(const int[]);  // 可以看出，函數的意圖是作用於一個數組
void print(const int[10]);  // 維度表示期望數組含有多少元素，但實際不一定

含有可變形參的函數

C++11新標準提供了兩個方法處理不同數量實參的函數

若所有實參類型相同，可以傳遞一個名爲initializer_list的標準庫類型
若實參不同，則可以拜年可變參數模板（16.4節介紹）

initializer_list

若函數的實參數量未知但全部實參類型相同，則可以使用initializer_list類型的形參， initializer_list是一種標準庫類型，用於表示某種特定類型的值的數組。其定義在同名頭文件中

和vector類似，initializer_list也是模板類型，定義時，需要說明類型

initializer_list對象中元素必須是常量值，無法改變，並且放在花括號中

void error_msg(initializer_list<string> il)
{
  for(auto beg = il.begin(); beg != il.end(); ++beg)
        cout << *beg << " ";
    cout << endl;
}
// 調用語句
// expected, actual 是 string 對象
if (expected != actual)
    error_msg({"functionX", expected, actual});
else
    error_msg({"functionX", "okay"});

省略符形參

省略符形參是爲了便於C++程序訪問某些特殊的C代碼設置的，這些代碼使用了varargs的C標準庫功能。

省略符形參只能出現在形參列表的最後一個位置，形式有兩種

// 第一種指定了部分形參的類型，對於這部分參數將進行正常的類型檢查，省略符形參所對應的實參無需類型檢查
void foo(parm_list, ...);  
void foo(...);

進階

返回類型和return語句

return語句終止當前正在執行的函數並將控制權返回到調用該函數的地方，return語句有兩種形式

return;
return expression;

無返回值函數

無返回值的return語句用在返回類型是void的函數中，此類函數最後會隱式執行return。

有返回值函數

return語句返回值的類型必須與函數的返回類型相同，或能隱式轉換成函數的額返回類型

返回值的方式和初始化一個變量或形參的方式完全一樣
不要反悔局部對象的引用或指針：因爲函數完成後，其存儲空間被釋放，局部變量的引用指向的內存無效
調用返回引用的函數得到左值，其他返回類型得到右值

列表初始化返回值

vector<string> process() { return {"return", "example"}};

返回數組指針

函數不能返回數組，所以可以返回數組指針或引用

Type (*function (parameter_list)) [dimension]

// 例子，使用類型別名
typedef int arrT[10];  // arrT爲類型別名，表示類型是含有 10 個整數的數組
using arrT = int[10];  // arrT的等價聲明
arrT* func(int i); // func 返回一個指向含有 10 個整數的數組的指針

// 例子，沒有使用類型別名
int (*func(int i))[10];
// 準曾理解該聲明含義
func(int i);  // 表示調用func函數時需要一個int類型的實參
(*func(int i));  // 意味着我們可以對函數調用的結果執行解引用操作
(*func(int i))[10];  // 表示解引用func的調用將得到一個大小是10的數組
int (*func(int i))[10];  // 表示數組中的元素是int 類型

使用尾置返回類型

// func 接受一個 int 類型的實參，返回一個指針，該指針指向含有 10 個整數的數組
auto func(int i) -> int(*)[10];

使用 decltype

int odd[] = {1, 3, 5, 7, 9};
decltype(odd) *arrPtr(int i);  /* 返回一個指向含有 5 個整數的數組的指針，注意 decltype 的結果是數組，不會把數組類型轉換成對應的指針，故需要加 * 符號 */

函數重載

若同一作用域內的幾個函數名字相同但形參列表不同，即爲重載函數

頂層const形參等價於無頂層const形參

int lookup(int i);
int lookup(const int i);  // 重複聲明 int lookup(int); 頂層const

int lookup(int *pi);
int lookup(int * const pi);  // 重複聲明 int lookup(int *); 頂層const

底層const可以實現函數重載

int lookup(int &);  // 函數作用域 int 引用
int lookup(const int&);  // 新函數，作用域常量引用

int lookup(int *);  // 新函數，作用於指向 int 的指針
int lookup(const int *);  // 新函數，作用於指向常量的指針

const_cast和重載

// 參數和返回類型都是 const string 的引用
const string &shorterString(const string &s1, const string &s2)
{
  return s1.size() <= s2.size() ? s1 : s2;
}
// 返回類型是普通引用， 參數爲普通變量
string &shorterString(string &s1, string &s2)
{
    // 將普通引用轉換成對對const的引用，然後調用const版本，返回對const的引用,如果不轉換成const，則會根據非常量參數調用非const版本，直至報錯
  auto &r = shorterString(const_cast<const string&>(s1), const_cast<const string&>(s2));
    // 將const引用轉成普通引用返回
    return const_cast<string&>(r);
}

特殊用途語言特性

默認實參

某個形參被賦予默認值，則其後面的所有形參都必須有默認值

在給定作用域中，一個形參只能被賦予一次默認實參

typedef string::size_type sz;
string screen(sz, sz, char = ' ');
string screen(sz, sz, char = '*'); // 錯誤：重複聲明
string screen(sz = 24, sz = 80, char); // 正確：添加默認實參

通常，應該在函數聲明中指定默認實參，並將該聲明放在合適的頭文件中。
局部變量不能作爲默認實參，除此之外，只要表達式的類型能轉換成形參類型，該表達式就能作爲默認實參

內聯函數就和`constexpr`函數

內聯函數inline, 即函數在調用點 內聯地展開
內聯說明只是向編譯器發出的請求，編譯器可以選擇忽略這個請求
很多編譯器不支持內聯遞歸函數
constexpr函數：能用於常量表達式的函數。 函數的返回類型及所有形參的類型都是字面值類型，函數體中必須有且只有一條 return 語句
```
constexpr int new_sz() { return 42; }  // new_sz() 爲無參數的 constexpr 函數
```
constexpr函數被隱式地指定爲內聯函數
constexpr函數體內可以包含其他語句，只要這些語句在運行時不執行任何操作，比如空語句，類型別名以及using聲明

constexpr函數不一定返回常量表達式

// 若參數 arg 爲常量表達式，則 scale(arg) 也是常量表達式
constexpr size_t scale(size_t cnt) { return new_sz() * cnt; }

內聯函數和constexpr函數可以在程序中多次定義，爲了多個定義保持完全一致，通常定義在頭文件內

調試幫助

assert預處理宏：一個預處理變量，類似於內聯函數，由預處理器而非編譯器管理

assert(expr);  // 對 exp r求值，若表達式爲假(即 0 )，assert輸出信息並終止運行；若爲真，則什麼也不做

NDEBUG：預處理變量，assert的行爲依賴於次變量的狀態，若定義了NDEBUG，則assert什麼也不錯，相當於關閉調試。默認沒有定義，此時assert會執行運行時檢查

void print(const int ia[], size_t size)
{

# ifndef NDEBUG

    cerr << __func__ << endl  // 當前調試函數名
        << __FILE__ << endl   // 存放文件名的字符串字面值
        << __LINE__ << endl   // 存放當前行號的整型字面值
        << __TIME__ << endl   // 存放文件編譯時間的字符串字面值
        << __DATE__ << endl;  // 存放文件編譯時期的字符串字面值
}

函數匹配

候選函數：調用對應的重載函數集，有兩個特徵
- 與被調用函數同名
- 其聲明在調用點可見
可行函數：通過考察調用提供的實參，從候選函數中選出能被這組實參調用的函數，也有兩個特徵
- 其形參數量與本次調用提供的實參數量相等
- 每個實參類型與對應形參類型相同，或能轉換成形參類型
實參類型與形參類型能夠越接近，匹配的越好
若有多個形參匹配，編譯器會一次檢查每個實參以確定最佳匹配函數，若未找到，則會報告二義性錯誤
- 該函數每個實參的匹配都不劣於其他可行函數需要的匹配
- 至少有一個實參的匹配由於其他可行函數提供的匹配

實參類型轉換

爲了確定最佳匹配，編譯器將實參類型到形參類型的轉換分成等級，如下所示

需要類型提升和算數類型轉換的匹配

小整形一般會提升到int類型或更大的整數類型

void ff(int);
void ff(short);
ff('a');  // char 提升成 int; 調用 f(int)

所有算數類型轉換的級別都一樣

void manip(long);
void manip(float);
manip(3.14);  // 錯誤：二義性調用，因爲double可以轉換爲long 和 float

函數匹配和`const`形參

若重載函數的區別在於用用類型的形參是否引用了const，或指針類型的形參是否執行const，則編譯器通過實參是否爲常量決定函數選擇

int lookup(int &);  // 參數爲 int 引用
int lookup(const int &);  // 參數爲常量引用
const int a;
int b;
lookup(a);  // 調用 lookup(const int &)
lookup(b);  // 調用 lookup(int &)

函數指針

函數指針即指向函數的指針，函數指針也是指向某種特定類型。函數類型由其返回類型和形參類型決定，與函數名無關。

// 函數類型是 bool (const string&, const string &)
bool lengthCompare(const string &, const string &); 
// 聲明指向該函數的指針，只需要用指針替換函數名即可
// pf 指向一個函數，該函數的參數爲兩個 const string引用，返回值是 bool 類型
bool (*pf)(const string &, const string &);  // 未初始化

函數名作爲值使用時，自動轉換爲指針

pf = lengthCompare;  // 等價於 pf = &lengthCompare; 取地址符可選

可直接使用函數指針調用函數，無需解引用

bool b1 = pf("hello", "goodbye");  // 調用 lengthCompare 函數
bool b2 = (*pf)("hello", "goodbye");  // 等價於上個調用語句

函數指針不存在類型轉換，可爲函數指針賦值nullptr或0，表示函數指針不指向任何函數

函數指針可做爲形參,可以使用類型別名簡化形參

// 第三個形參是函數類型，它會自動轉換成指向函數的指針
void useBigger(const string &s1, const string &s2, bool pf(const string &, const string &));
// 等價聲明，顯示地將形參定義成指向函數的指針
void useBigger(const string &s1, const string &s2, book (*pf)(const string &, const string &));
// 自動將函數 lengthCompare 轉換成指向該函數的指針
useBigger(s1, s2, lengthCompare);

函數能返回函數指針，與形參不同，編譯器不會自動將函數返回類型轉換成對應的指針類型。

using F = int(int *, int);  // F 是函數類型，不是指針
using PF = int(*)(int *, int);  // PF 是指針類型
PF f1(int);  // 正確：PF爲函數指針，f1 返回函數指針
F f1(int);  // 錯誤：F是函數類型，f1不能返回一個函數
int (*f1(int))(int *, int);  // 等價於PF f1(int);
auto f1(int) -> int(*)(int *, int);  // 使用尾置返回類型方式聲明返回函數指針的函數

結語

函數是命名了的計算單元，每個函數都包括返回類型、名字、（可能爲空的）形參列表以及函數體
C++中，函數可以被重載：同一個敏子可用於定義多個函數，只要形參數量或形參類型不同即可。

函數相關基礎知識已經瞭解，以後要深入學習函數相關知識。

C++ 學習筆記之(6)-函數、重載和指針

C++ 學習筆記之(6)-函數、重載和指針

函數基礎

局部對象

自動對象

局部靜態對象

函數聲明

參數傳遞

傳值參數

傳引用參數

const 形參和實參

知識點

數組形參

含有可變形參的函數

initializer_list

省略符形參

進階

返回類型和return語句

無返回值函數

有返回值函數

返回數組指針

函數重載

特殊用途語言特性

默認實參

內聯函數就和constexpr函數

調試幫助

函數匹配

實參類型轉換

需要類型提升和算數類型轉換的匹配

函數匹配和const形參

函數指針

結語

　傳引用參數

內聯函數就和`constexpr`函數

函數匹配和`const`形參