六、java函数-优快云博客

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java函数

java函数

本文为书籍《Java编程的逻辑》¹和《剑指Java：核心原理与应用实践》²阅读笔记

在编写代码过程中，如果需要经常做某一种操作，则类似的代码需要重复写很多遍。比如在一个数组中查找某个数，第一次查找一个数，第二次可能查找另一个数，每查一个数，类似的代码都需要重写一遍，很啰嗦。另外，有一些复杂的操作，可能分为很多个步骤，如果都放在一起，则代码难以理解和维护。计算机程序使用函数这个概念来解决这个问题，即使用函数来减少重复代码和分解复杂操作。

1.1 什么是函数

在数学中，我们都学过函数的概念，其基本格式是： $y = f (x)$ ，表示，对于任一 $x$ 值都有唯一的 $y$ 值与之对应。编程中函数与数学中的函数相似，也由输入、操作和输出组成，但它表示的是一段程序代码，这段程序代码有一个名字，表示它的目的（类比 $f$ ），有零个或多个参数（类比 $x$ ），有可能返回一个结果（类比 $y$ ）。我们来看两个简单的例子：

public static int sum(int a, int b){
    int sum = a + b;
    return sum;
}
public static void print3Lines(){
    for(int i=0; i<3; i++){
        System.out.println();
    }
}

第一个函数的名字叫做sum，它的目的是对输入的两个数求和，有两个输入参数，分别是int整数a和b，它的操作体是对两个数求和，求和结果放在变量sum中（这个sum和函数名字的sum没有任何关系），然后使用return语句将结果返回，最开始的public static是函数的修饰符。第二个函数的名字叫做print3Lines，它的目的是在屏幕上输出三个空行，它没有输入参数，操作是使用一个循环输出三个空行，它也没有返回值。

通过上面代码结构，总结出函数的基本语法结构：

修饰符 返回值类型  函数名字(参数类型 参数名字，…) {
    操作
    return返回值；
}

函数名字：名字是不可或缺的，表示函数的功能。
返回值类型：声明函数返回值数据类型，如果没有返回值则为void。
参数：参数有 $0$ 个到多个，每个参数由参数的数据类型和参数名字组成。
操作：函数的具体操作代码。
返回值：函数可以没有返回值，如果没有返回值则类型写成void，如果有则在函数代码中必须使用return语句返回一个值，这个值的类型需要和声明的返回值类型一致。
修饰符：Java中函数有很多修饰符，分别表示不同的目的，上面使用的修饰符为public static。
局部变量：在sum中定义的变量sum以及形参a和b，都是函数sum的局部变量，局部变量会随着方法运行结束而销毁。

上面是函数定义的语法，在函数定义完后，还需要调用函数，函数才能被执行被调用。

java中明确规定，任何函数都需要放在一个类中，类暂时还没有介绍，暂时把类当作是存放函数的容器。一个类中可以有多个函数，类里面可以定义一个特殊的方法，叫做main的函数，这个函数有特殊的含义，表示程序的入口，String[] args表示从控制台接收到的参数，可以暂时忽略它。Java中运行一个程序的时候，需要指定一个定义了main函数的类，Java会寻找main函数，并从main函数开始执行。

public static void main(String[] args) {
      …
}

1.2 进一步理解函数

1.2.1 参数传递

1、数组

基本类型和数组都能作为函数传递给函数，但是数组类型和基本类型不一样的是，基本类型传递的是值而数组传递的是地址，所以，基本类型不会对调用者中的变量造成任何影响，但数组不是，在函数内修改数组中的元素会修改调用者中的数组内容。比如下面代码：

public static void reset(int[] arr){
    for(int i=0; i<arr.length; i++){
        arr[i] = i;
    }
}
public static void main(String[] args) {
    int[] arr = {10,20,30,40};
    reset(arr);
    for(int i=0; i<arr.length; i++){
        System.out.println(arr[i]);
    }
}

在main函数中，调用reset函数后，reset修改了数组保存的值，但是函数参数中的数组变量arr和main函数中的数组变量arr存储的都是相同的位置，而数组内容本身只有一份数据，所以，在reset中修改数组元素内容和在main中修改是完全一样的。

2、可变长度参数

前面介绍的函数参数的个数都是固定的，有时函数也需要接收可变长度参数。比如一个求最大值函数，调用事先并不知道需要计算的数据有多少，有可能两个或者多个。java支持可变长度的参数。

public static int max(int min, int ... a){
    int max = min;
    for(int i=0; i<a.length; i++){
        if(max<a[i]){
            max = a[i];
        }
    }
    return max;
}
public static void main(String[] args) {
    System.out.println(max(0));
    System.out.println(max(0,2));
    System.out.println(max(0,2,4));
    System.out.println(max(0,2,4,5));
}

max函数接受一个最小值，以及可变长度的若干参数，返回其中的最大值。可变长度参数的语法是在数据类型后面加三个点... ，在函数内，可变长度参数可以看作是数组。可变长度参数必须是参数列表中的最后一个，一个函数也只能有一个可变长度的参数。可变长度参数实际上会转换为数组参数，也就是说，函数声明max(int min, int...a)实际上会转换为max(int min, int[] a)，在main函数调用max(0,2,4,5)的时候，实际上会转换为调用max(0, new int[]{2,4,5})，使用可变长度参数主要是简化了代码书写。

1.2.2 理解返回

return的含义是显示结束函数执行，并返回结果（如果函数返回值类型定义为void时，返回null）。函数返回值类型为void时，return不是必需的，在没有return的情况下，会执行到函数结尾自动返回。return用于显式结束函数执行，返回调用方。return可以用于函数内的任意地方，可以在函数结尾，也可以在中间，可以在if语句内，可以在for循环内，一旦运行return语句，函数立马结束执行，返回调用方。函数返回值类型为void，可以使用不带返回值，即return;，其实和return null;是等价的，含义是返回调用方，只是没有返回值而已。函数的返回值最多只能有一个，那如果实际情况需要多个返回值呢？比如，计算一个整数数组中的最大的前三个数，需要返回三个结果。这个可以用数组作为返回值，在函数内创建一个包含三个元素的数组，然后将前三个结果赋给对应的数组元素。如果实际情况需要的返回值是一种复合结果呢？比如，查找一个字符数组中所有重复出现的字符以及重复出现的次数。这个可以用对象作为返回值。

1.2.3 函数重载

每个函数都有一个名字，这个名字表示这个函数的意义，名字可以重复吗？在不同的类里，答案是肯定的，在同一个类里，要看情况。同一个类里，函数可以重名，但是参数不能完全一样，即要么参数个数不同，要么参数个数相同但至少有一个参数类型不一样，就是函数签名不同。同一个类中函数名相同但参数不同的现象，称为函数重载。

为什么需要函数重载呢？一般是因为函数想表达的意义是一样的，但参数个数或类型不一样。比如，求两个数的最大值，在Java的Math库中就定义了 $4$ 个函数，如下所示：

    public static double max(double a, double b)
    public static float max(float a, float b)
    public static int max(int a, int b)
    public static long max(long a, long b)

调用的匹配过程在之前介绍函数调用的时候，我们没有特别说明参数的类型。这里说明一下，参数传递实际上是给参数赋值，调用者传递的数据需要与函数声明的参数类型是匹配的，但不要求完全一样。什么意思呢？Java编译器会自动进行类型转换，并寻找最匹配的函数，比如：

char a = 'a';
char b = 'b';
System.out.println(Math.max(a, b));

参数是字符类型的，但Math并没有定义针对字符类型的max函数，这是因为char其实是一个整数，Java会自动将char转换为int，然后调用Math.max(int a, int b)，屏幕会输出整数结果 $98$ 。

在只有一个函数的情况下，即没有重载，只要可以进行类型转换，就会调用该函数，在有函数重载的情况下，会调用最匹配的函数。

1.2.4 函数递归

一个函数中，除了可以调用别的函数还可以调用自己，当调用自己时，就是函数的递归使用。

数学中有个著名的数列，叫斐波那契数列（Fibonacci），它满足如下规律：
$\begin{align} f(0)=&1\\ f(1)=&1\\ f(2)=&f(0)+f(1)=2\\ f(3)=&f(1)+f(2)=3\\ f(4)=&f(2)+f(3)=5\\ &...\\ f(n)=&f(n-2)+f(n-1)=2\\ \end{align}$

使用递归可以很方便实现斐波那契数列数列计算，计算代码如下：

package com.ieening;

public class FibonacciTest {
    public static int calculateFibonacciRecursion(int index) {
        if (index == 0 || index == 1) {
            return 1;
        } else {
            return calculateFibonacciRecursion(index - 2) + calculateFibonacciRecursion(index - 1);
        }
    }

}

测试代码如下：

package com.ieening;

import static org.junit.Assert.assertTrue;

import org.junit.Test;

public class TestFibonacciTest {
    @Test
    public void testFibonacciTest() {
        assertTrue(FibonacciTest.calculateFibonacciRecursion(0) == 1);
        assertTrue(FibonacciTest.calculateFibonacciRecursion(1) == 1);
        assertTrue(FibonacciTest.calculateFibonacciRecursion(2) == 2);
        assertTrue(FibonacciTest.calculateFibonacciRecursion(3) == 3);
        assertTrue(FibonacciTest.calculateFibonacciRecursion(4) == 5);
    }
}

马俊昌.Java编程的逻辑[M].北京:机械工业出版社,2018. ↩︎
尚硅谷教育.剑指Java：核心原理与应用实践[M].北京:电子工业出版社,2023. ↩︎