详解C语言函数

已于 2023-10-18 18:53:54 修改
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文章标签： c语言 开发语言
于 2023-10-04 15:19:15 首次发布
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本文围绕C语言函数展开，介绍了函数概念、库函数和自定义函数的使用，阐述了形参和实参的关系、return语句的使用注意事项，还讲解了数组做函数参数、嵌套调用和链式访问，以及函数的声明和定义，最后分析了static和extern关键字对变量和函数的影响。

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函数目录：

文章代码Gitee获取链接

如何组织程序？C的设计思想是，把函数用作构件块。我们已经使用过C标准库的函数，如printf()、sacnf()、getchar()、putchar()和strlen()。

1. 函数的概念

首先，什么是函数？数学中见过函数的概念，比如：一次函数 y=kx+b ，k和b都是常数，给一个任意的x，就得到一个y值。

C语言也引入函数（function）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。这段代码是有特殊的写法和调用方法的。

为什么要使用函数？首先，使用函数可以省去编写重复代码的苦楚。如果程序要多次完成某项任务，那么只需要编写一个合适的函数，就可以在需要时使用这个函数，或者在不同的程序中使用该函数，就像很多程序中使用putchar()一样。其次，及时程序只完成某项任务一次，也值得使用函数。因为函数让程序更加模块儿化，从而提高了程序代码的可读性。

C语言的程序其实是由无数个小的函数组合而成的，也可以说：一个大的计算任务可以分解成若干个较小的函数（对应较小的任务）完成。同时一个函数如果能完成某项特定任务的话，这个函数也是可以复用的，提升了开发软件的效率。

在C语言中我们⼀般会见到两类函数：
• 库函数
• 自定义函数

2. 库函数

2.1 标准库和头文件

C语言标准中规定了C语言的各种语法规则。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。

我们前面内容中学到的 printf 、 scanf 都是库函数，库函数的也是函数，不过这些函数已经是现成的，我们只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；

各种编译器的标准库中提供了一系列的库函数，这些库函数根据功能的划分，都在不同的头文件中进行了声明。

库函数相关头文件：https://z.cppreference.com/w/c/header

有数学相关的，有字符串相关的，有日期相关的等，每一个头文件中都包含了，相关的函数和类型等信息，库函数的学习不用着急一次性全部学会，慢慢学习，各个击破就好啦！

2.2 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/

举例： 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

2.2.1 功能

Compute square root 计算平方根。
Returns the square root of x.（返回平方根）

2.2.2 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，不包含可能会出现⼀些问题。

2.2.3 实践

#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main()
{
 	double d = 16.0;
 	double r = sqrt(d);
 	printf("%lf\n", r);
 	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

2.2.4 库函数文档的一般格式

  1. 函数原型。
  2. 函数功能介绍。
  3. 参数和返回类型说明。
  4. 代码举例。
  5. 代码输出。
  6. 相关知识链接。

3. 自定义函数

库函数也不是万能的，如果库函数能把所有的事情都做完的话那么就不需要程序员了，所以自定义函数才是重中之重。

自定义函数与库函数十分相似，有返回值，函数类型和函数参数。

3.1 函数的语法形式

自定义函数形式如下：

ret_type fun_name(形式参数)
{

}

• ret_type 是函数返回类型
• fun_name 是函数名
• 括号中放的是形式参数
• { }括起来的是函数体

函数是一个集成特定功能的小程序，一般会输入一些值（可以是0个，也可以是多个），经过函数内的计算，得出结果。
在这里插入图片描述
• ret_type 表示函数计算结果的类型，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；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。

3.2 函数的举例

举例：
写一个加法函数，完成2个整型变量的加法操作。

#include <stdio.h>
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
 	//to do
 	//输出
 	printf("%d\n", r);
 	return 0;
}

根据要完成的功能，给函数取名：Add，函数Add需要接收2个整型类型的参数，函数计算的结果也是整型。
根据上述的分析写出函数：

#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;
}

Add函数也可以简化为：

int Add(int x, int y)
{
 	return x+y;
}

注意： 函数的参数部分需要交代清楚：参数个数，每个参数的类型是，形参的名字。

4. 形参和实参

形参这个概念起源于计算机编程语言，在编程过程中，为了让函数能够接收不同的参数，需要先定义这些参数的类型和名称，这些参数就被称为形式参数（formal parameter）或简称形参，而在函数调用时，实际传入的参数则被称为实际参数（actual parameter）或简称实参。

形参的历史渊源可以追溯到早期的编程语言，比如Fortran、C等，这些语言都使用形参来实现函数的参数传递。随着编程语言的发展，形参逐渐成为了编程语言中必不可少的概念之一，几乎所有的编程语言都支持形参和实参的概念。

在函数使用的过程中，把函数的参数分为实参和形参。

如前面代码所示：

#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;
}

4.1 实参

上面代码中，第2~7行是 Add 函数的定义，下面调用函数（int r = Add(a, b);）。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。

4.2 形参

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。

4.3 实参和形参的关系

实参是传递给形参的，但是形参和实参各自是独立的内存空间。

实参和形参是函数调用中的两个概念，形参是函数定义中的参数，它们是函数内部使用的变量，而实参是函数调用时传递给函数的实际参数值，它们是函数外部传递给函数的值。

在函数调用时，将实参传递给函数，并将实参的值赋给形参，从而将实参的值传递到函数内部，使函数能够使用这些值进行计算或操作。因此，实参和形参的关系就是实参提供了形参的值，以便函数能够使用这些值进行计算和操作。

这个现象是可以通过调试来观察的。如下代码：

#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;
}

调试如下：
在这里插入图片描述
在调试窗口可以观察到，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贝。

5. return语句

使用注意事项：

• 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。

6. 数组做函数参数

使用函数解决问题时，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。

代码架构：

#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;
}

set_arr函数需要对数组内容进行设置，所以需要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时，需要遍历数组和知道数组元素的个数。所以需要给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。print_arr也是一样，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？

这里需要知道数组传参的几个重点：

• 函数的形参要和函数的实参个数匹配。

• 函数的实参是数组，形参也可以写成数组的形式。

• 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，列不能省略。

• 数组传参时形参不会创建新的数组。

• 形参操作的数组和实参的数组是同一个数组。

根据上述信息，实现这两个函数：

void set_arr(int arr[], int sz)
{
 	int i = 0;
 	for(i=0; i<sz; i++)
 	{
 		arr[i] = -1;
 	}
}

void print_arr(int arr[], int sz)
{
 	int i = 0;
 	for(i=0; i<sz; i++)
 	{
 		printf("%d ", arr[i]);
 	}
 	printf("\n");
}

二维数组传参：

# include <stdio.h>

void print_arr(int arr[4][5], int r, int c)
{
	for (int i = 0; i < r; i++)
	{
		for (int j = 0; j < c; j++)
		{
			printf("%d", arr[i][j]);
		}
		printf("\n");
	}
}
int main()
{
	int arr[4][5] = { 1,2,3,4,5, 2,3,4,5,6, 3,4,5,6,7, 4,5,6,7,8 };
	print_arr(arr, 4, 5);
	return 0;
}

7. 嵌套调用和链式访问

7.1 嵌套调用

嵌套调用顾名思义就是函数之间的互相调用，也正是因为函数之间有效的相互调用，才容易写出来了相对大型的程序。

假设需要计算某年某月有多少天？要函数实现，就可以设计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确定是否为闰年，再根据月计算这个月的天数。

#include <stdio.h>

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;
}

以上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

7.2 链式访问

链式访问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。
例如：

#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;
}

以上代码完成动作写了2条语句。把如果把strlen函数的返回值直接作为printf函数的参数，这样就是一个链式访问。

#include <stdio.h>
int main()
{
 	printf("%d\n", strlen("abcdef"));//链式访问
 	return 0;
}

下面来观察一个有趣的代码：
他的执行结果是什么呢？

#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 函数的返回的是什么？

int printf ( const char * format, ... );

在这里插入图片描述
printf函数返回的是打印在屏幕上的字符的个数。

上例中，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

8. 函数的声明和定义

8.1 单个文件

一般在使用函数时，直接将函数写出来就使用了。
例如： 写一个函数判断某一年是否为闰年。

#include <stdio.h>
//判断一年是不是闰年的函数
int is_leap_year(int y)
{
    if (((y % 4 == 0) && (y % 100 != 0)) || (y % 400 == 0))
        return 1;
    else
        return 0;
}

int main()
{
    int y = 0;
    scanf("%d", &y);
    int r = is_leap_year(y);
    if (r == 1)
        printf("是闰年\n");
    else
        printf("不是闰年\n");
    return 0;
}

如上场景下函数的定义在函数调用之前，是没有问题的。

如果将函数的定义放在函数的调用之后。
例如：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int y = 0;
	scanf("%d", &y);
	int r = is_leap_year(y);
	if (r == 1)
		printf("是闰年\n");
	else
		printf("不是闰年\n");
	return 0;
}
//判断一年是不是闰年的函数
int is_leap_year(int y)
{
	if (((y % 4 == 0) && (y % 100 != 0)) || (y % 400 == 0))
		return 1;
	else
		return 0;
}

这个代码在VS2022上编译，会出现警告信息：
在这里插入图片描述
这是因为C语言编译器对源代码进行编译时，是从第⼀行往下扫描，当遇到 is_leap_year 函数调用时，并没有发现前面有 is_leap_year 的定义，就报出了上述的警告。

解决这个问题，需要在函数调用之前先声明 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即可。

例如： 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。

代码如下：

#include <stdio.h>
int is_leap_year(int y);//函数声明
int main()
{
	int y = 0;
	scanf("%d", &y);
	int r = is_leap_year(y);
	if (r == 1)
		printf("是闰年\n");
	else
		printf("不是闰年\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;
}

函数调用一定要满意，先声明后使用；
函数的定义也是一种特殊的声明，所以函数定义放在调用之前也是可以的。

8.2 多个文件

⼀般在企业中写代码时候，代码会比较多，我们不会将所有的代码都放在同一个文件中；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，函数的实现是放在原文件（.c）中。

如下：
add.c

//函数的定义
int Add(int x, int y)
{
 	return x+y;
}

add.h

//函数的声明
int Add(int x, int y);

code.c

#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;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
函数声明和定义的应用非常广泛，主要用于：

  1. 模块化编程：通过函数声明和定义，可以将代码分成多个模块，每个模块可以负责不同的任务，从而更好地组织代码结构，提高代码的可读性和维护性。

  2. 代码重用：通过函数声明和定义，可以将常用的功能封装成函数，然后在多个程序中重复使用，从而避免重复编写相似的代码，提高开发效率。

  3. 程序组件化：通过函数声明和定义，可以将程序分成多个组件，每个组件可以独立开发和测试，最终再进行整合，从而降低程序的复杂度和风险。

  4. 参数传递：通过函数声明和定义，可以定义函数的输入和输出参数，从而实现不同函数之间的数据传递和协作。

  5. 函数重载：通过函数声明和定义，可以定义多个名称相同但参数类型和个数不同的函数，从而实现函数的重载，提高代码的灵活性和可扩展性。

总之，函数声明和定义是现代编程中非常重要的概念，它们为程序的组织、设计和开发提供了很多好处。

8.3 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之前再说一下：作用域和生命周期。

作用域（scope） 是程序设计概念，通常来说，一段程序代码中所用到的名字并不总是有效的，限定这个名字的可用性的代码范围就是这个名字的作用域。

  1. 全局作用域（Global Scope）：全局作用域指的是在程序的任何地方都能访问的变量或函数，它们通常定义在程序的最外层。全局作用域的变量和函数在整个程序中都是可用的。

  2. 局部作用域（Local Scope）：局部作用域指的是在特定代码块（例如函数、循环等）中定义的变量或函数，只能在该代码块内部使用，无法在外部访问。

  3. 嵌套作用域（Nested Scope）：嵌套作用域是指在一个代码块中可以定义另一个代码块，内部的代码块可以访问外部代码块的变量和函数，而外部代码块无法访问内部代码块的变量和函数。

  4. 动态作用域（Dynamic Scope）：动态作用域是指在程序执行期间，根据函数调用栈来确定变量和函数的作用域，而不是根据代码的结构来决定。动态作用域通常不被广泛使用，因为它会导致代码的可读性和可维护性降低。

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。

  1. 局部变量的生命周期是：进入作用域生命周期开始，出作用域生命周期结束。

  2. 全局变量的生命周期是：整个程序的生命周期。

8.3.1 static 修饰局部变量

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
#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;
}

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。

结论：static修饰局部变量改变了变量的生命周期，生命周期改变的本质是改变了变量的存储类型，本来一个局部变量是存储在内存的栈区的，但是被static修饰后存储到了静态区。存储在静态区的变量和全局变量是一样的，生命周期就和程序的生命周期一样了，只有程序结束，变量才销毁，内存才回收。但是作用域不变的。
在这里插入图片描述
使用建议：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。

8.3.2 static修饰全局变量

代码1：
add.c

int g_val = 2018;

code.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;

code.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连接性错误。

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。（本质原因：全局变量默认具有外部链接属性，在外部的文件中使用，只要适当的声明就可以；但是全局变量被static修饰之后，外部链接属性就变成了内部链接属性，只能在自己所在的源文件内部使用，其他源文件，即使声明了，也无法正常使用。）

使用建议：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。

8.3.3 static 修饰函数

代码1：
add.c

int Add(int x, int y)
{
 	return x+y;
}

code.c

#include <stdio.h>
extern int Add(int x, int y);
int main()
{
	printf("%d\n", Add(2, 3));
	return 0;
}

代码2：

static int Add(int x, int y)
{
 return x+y;
}

code.c

#include <stdio.h>
extern int Add(int x, int y);
int main()
{
	printf("%d\n", Add(2, 3));
	return 0;
}

代码1能够正常运行，代码2就出现了链接错误。

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。（本质是因为函数默认是具有外部链接属性，具有外部链接属性，使得函数在整个工程中只要适当的声明就可以被使用。但是被static修饰后变成了内部链接属性，使得函数只能在自己所在源文件内部使用。）

使用建议：一个函数只想在所在的源文件内部使用，不想被其他源文件使用，就可以使用static修饰。

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