《C語言程序設計》課件第4章

第4章函數(shù)4.1函數(shù)的定義

4.2函數(shù)參數(shù)與返回值

4.3函數(shù)調用

4.4函數(shù)的嵌套調用4.5變量的作用域4.6變量的存儲類別

4.1函?數(shù)?的?定?義

4.1.1函數(shù)的基本概念

C程序中有一個函數(shù)是必須存在的，這就是main函數(shù)(又稱為主函數(shù))。main函數(shù)是唯一的，它是C程序執(zhí)行的入口，即程序開始執(zhí)行時，系統(tǒng)首先調用main函數(shù)執(zhí)行。

C程序中所有函數(shù)的定義是平行的，函數(shù)之間不存在嵌套或從屬的關系，但是函數(shù)之間可以相互調用。除main函數(shù)不能被其他函數(shù)調用外，其他函數(shù)都是一個可以反復使用的程序段。函數(shù)是通過被調用而執(zhí)行的。

【例4.1】

編寫程序計算兩個整數(shù)絕對值階乘之差。

程序如下：圖4.1輸入－7和2時的運行結果例4.1的程序由main和fac兩個函數(shù)組成。其中fac函數(shù)的功能是求整數(shù)的階乘。程序的執(zhí)行從main函數(shù)開始，首先調用函數(shù)printf輸出提示信息，調用函數(shù)scanf輸入數(shù)據(jù)。然后先后兩次調用函數(shù)fac：第一次調用fac函數(shù)時，由main函數(shù)轉到fac函數(shù)執(zhí)行，計算x絕對值的階乘，函數(shù)執(zhí)行完后，結果由return語句返回main函數(shù)；第二次調用fac函數(shù)計算y絕對值的階乘。最后調用函數(shù)printf輸出計算結果，程序執(zhí)行結束。在執(zhí)行函數(shù)fac時還調用了函數(shù)abs計算n的絕對值。

從上面的例子可以看出，函數(shù)是有區(qū)別的。有一種函數(shù)可以直接使用，例如例4.1中的scanf、printf和abs函數(shù)，它們是由C系統(tǒng)提供的，稱做C系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)或庫函數(shù)。還有一種函數(shù)用戶必須定義(即創(chuàng)建)后才能使用，例如例4.1中的fac函數(shù)，稱做用戶自定義函數(shù)。使用C語言編程，一定要了解有哪些系統(tǒng)函數(shù)才能有效利用系統(tǒng)提供的資源。

4.1.2函數(shù)的定義

編寫C程序的主要工作就是編寫用戶自定義函數(shù)，即所謂的函數(shù)定義。函數(shù)定義的一般形式如下：

類型標識符函數(shù)名(形式參數(shù)表列)

{??聲明部分

執(zhí)行部分

}輸入“23，4”時，程序運行結果如圖4.2所示。

編寫函數(shù)時，函數(shù)名要符合標識符的命名規(guī)則，例如，start_information和end_information。關于函數(shù)有如下說明：

(1)函數(shù)定義時的參數(shù)稱為形式參數(shù)，簡稱形參。形式參數(shù)列表說明的是函數(shù)間要傳遞的數(shù)據(jù)。調用函數(shù)與被調用函數(shù)之間的數(shù)據(jù)傳遞就是依靠形式參數(shù)在調用時接收數(shù)據(jù)來完成的。圖4.2例4.2的運行結果

(2)形式參數(shù)列表由各個參數(shù)的名字和類型說明組成。形參列表中若有多個形參，形參之間用逗號分隔。例如，“intsum(intx1,intx2)”說明sum函數(shù)有兩個整型參數(shù)x1，x2，即調用函數(shù)時需要傳遞的數(shù)據(jù)是兩個整型數(shù)據(jù)。

(3)如果在形式參數(shù)列表中只列出參數(shù)名，則需要在其后說明每個參數(shù)的類型，函數(shù)定的形式變?yōu)?/p>

(4)如果函數(shù)不需要數(shù)據(jù)傳遞，則形式參數(shù)表為空，但“()”不能省略。例如start_information()和end_information()。

(5)花括號內的內容稱為“函數(shù)體”。聲明部分對函數(shù)內使用的變量進行定義和聲明，以及對被調用函數(shù)進行的聲明。執(zhí)行部分是實現(xiàn)函數(shù)功能的語句序列。

4.2函數(shù)參數(shù)與返回值

4.2.1函數(shù)的參數(shù)

函數(shù)的參數(shù)分為形參和實參兩種。形參出現(xiàn)在函數(shù)定義中，在整個函數(shù)體內都可以使用，若離開該函數(shù)則不能使用；實參出現(xiàn)在主調函數(shù)中。形參和實參的功能是作數(shù)據(jù)傳送，發(fā)生函數(shù)調用時，主調函數(shù)把實參的值傳送給被調函數(shù)的形參，從而實現(xiàn)主調函數(shù)向被調函數(shù)的數(shù)據(jù)傳送。

函數(shù)的形參和實參具有以下特點。

(1)形參變量只有在被調用時才分配內存單元，在調用結束時，即刻釋放所分配的內存單元。因此形參只有在函數(shù)內部有效，函數(shù)調用結束返回主調函數(shù)后，就不能再使用該形參變量。

(2)實參可以是常量、變量、表達式、函數(shù)等，無論實參是何種類型的量，在進行函數(shù)調用時，它們都必須具有確定的值，以便把這些值傳送給形參。因此應預先用賦值、輸入等辦法使實參獲得確定值。

(3)實參和形參在數(shù)量、類型、順序上應嚴格一致，否則會發(fā)生“類型不匹配”的錯誤。

(4)函數(shù)調用中發(fā)生的數(shù)據(jù)傳送是單向的，即只能把實參的值傳送給形參，而不能把形參的值反向地傳送給實參。因此在函數(shù)調用過程中，形參的值發(fā)生改變對實參的值不會有影響。圖4.3例4.3運行結果4.2.2函數(shù)的返回值

函數(shù)的返回值是指函數(shù)被調用后，執(zhí)行函數(shù)體的程序段所取得并返回給主調函數(shù)的值，如調用正弦函數(shù)取得的正弦值、調用max函數(shù)取得的最大值等。

(1)函數(shù)的值只能通過return語句返回主調函數(shù)。

return語句格式為

return(<表達式>)；

return語句有如下兩個功能：

①return語句將表達式的計算結果返回給主調函數(shù)；

②結束return語句所在函數(shù)的執(zhí)行，返回到調用該函數(shù)的主調函數(shù)中繼續(xù)執(zhí)行。圖4.4例4.4的運行結果程序說明：程序執(zhí)行到product函數(shù)的return語句時，return語句將s的值返回到main函數(shù)，在結束product函數(shù)的執(zhí)行后，返回main函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。return語句返回的s值在main函數(shù)中賦值給了變量p。

(2)函數(shù)返回值的類型應為定義函數(shù)時函數(shù)的類型。若函數(shù)類型與return語句中表達式值的類型不一致，則以函數(shù)類型為準進行類型轉換。例如，如果product函數(shù)為

return語句返回值是float類型，而函數(shù)類型為double，則將返回值轉換成double類型返回。

(3)沒有返回值的函數(shù)用void定義其函數(shù)類型。否則，函數(shù)即使不用return語句返回值，函數(shù)仍將返回一個不確定的值。如例4.2中的start_information和end_information函數(shù)。

(4)如果return語句中沒有返回值，語句格式為

return；

(5)?return語句可以出現(xiàn)多次，但是每次函數(shù)調用只能有一條return語句被執(zhí)行。例如下面的example函數(shù)： 4.3函數(shù)調用

4.3.1函數(shù)的聲明

在C程序中，一個函數(shù)可以被調用需要以下兩個前提。

(1)函數(shù)已存在?；蛘吆瘮?shù)是系統(tǒng)函數(shù)(庫函數(shù))，或者函數(shù)是用戶已定義完的函數(shù)。

(2)對于庫函數(shù)，只要在主調函數(shù)所在的文件用include命令包含相應的頭文件即可；對于用戶自定義的函數(shù)，除下面將要提到的三種情況外都需要在調用函數(shù)前對其進行聲明，或者在主調函數(shù)所在文件用include命令包含被調用函數(shù)的所在文件。所謂函數(shù)定義，是指編寫不存在的函數(shù)，函數(shù)只能定義一次。而函數(shù)聲明是對存在的準備調用的函數(shù)進行聲明，讓編譯系統(tǒng)可以在編譯階段對函數(shù)的調用進行合法性檢查，判斷形參與實參的類型及個數(shù)是否一致，函數(shù)聲明可以多次。

函數(shù)聲明格式就是照寫已定義的函數(shù)首部，再加上分號，即

類型標識符函數(shù)名(形式參數(shù)表列)；輸入“1.5，1.2”時，結果如圖4.5所示。

C語言規(guī)定，在下列三種情況下，調用函數(shù)前可以不對被調用函數(shù)進行聲明：

(1)被調函數(shù)的返回值類型是整型或字符型。例如例4.1，被調用函數(shù)fac的返回值是整型，main函數(shù)可不必聲明它而直接調用。

(2)在函數(shù)的外部已對該函數(shù)聲明，且聲明在主調函數(shù)的前面。如例4.5。圖4.5例4.5的運行結果圖4.6例4.6的運行結果

(3)被調用函數(shù)的定義和調用函數(shù)在同一個文件內，且出現(xiàn)在調用函數(shù)之前。例如例4.3，函數(shù)product出現(xiàn)在函數(shù)main之前，則main函數(shù)可以不對product函數(shù)聲明而直接調用。

調用一個函數(shù)前進行函數(shù)聲明是一種良好的程序設計習慣，除了增加程序的正確性，把錯誤改正在初級階段外，還能提高程序的可讀性。

4.3.2函數(shù)的調用

函數(shù)的調用就是主調函數(shù)通過數(shù)據(jù)傳遞使用被調用函數(shù)功能的過程。數(shù)據(jù)傳遞是通過形參和實參完成的。

函數(shù)調用的一般形式是：

函數(shù)名(實際參數(shù)表列)說明：

(1)調用函數(shù)時的參數(shù)稱為實際參數(shù)，簡稱實參。實參可以是變量、常量或表達式，是有確定值的參數(shù)。

(2)函數(shù)的形參與實參要求個數(shù)相等，并且對應的形參和實參的類型相同。若被調函數(shù)是無參函數(shù)，則實參表列為空。

(3)數(shù)據(jù)傳遞是通過形參接收實參的數(shù)值來完成的。函數(shù)調用時，形參被分配內存單元，并接收對應實參傳來的值。

【例4.7】

將三個實數(shù)按由小到大順序輸出并且輸出它們的和。

程序如下：圖4.7例4.7運行結果例4.7的main函數(shù)執(zhí)行過程中依次調用了函數(shù)start_information、函數(shù)sort和函數(shù)end_information。start_information和end_information是無參數(shù)、無返回值函數(shù)，被main調用時無需數(shù)據(jù)傳遞，執(zhí)行完畢返回main函數(shù)執(zhí)行即可。sort函數(shù)是既有參數(shù)，也有函數(shù)返回值的函數(shù)。sort函數(shù)的調用過程是一個完整的函數(shù)調用過程，其調用過程具體如下：

(1)為函數(shù)的形參x1、x2、x3分配內存單元，計算各個實參表達式a+1、3.0、a的值為5.0、3.0、4.0，并一一對應地賦值給相應形參x1、x2、x3。

(2)進入sort函數(shù)體，執(zhí)行函數(shù)中的語句，實現(xiàn)函數(shù)的排序輸出功能。

(3)執(zhí)行到return語句時，計算return語句中表達式x3+x2+x1的值并向主調函數(shù)返回其值，釋放形參及sort函數(shù)內的變量所占內存，返回main函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。

函數(shù)調用可以有不同的方式，例如例4.8。圖4.8例4.8的運行結果在例4.8中出現(xiàn)了三種函數(shù)調用方式，也就是一般函數(shù)的三種調用方式：

(1)具有返回值的函數(shù)可參加表達式的計算。例如例4.8的語句“t=max(x,y)+10;”中的max函數(shù)。

(2)具有返回值的函數(shù)可作為其他函數(shù)的實參。例如例4.8的語句“printf("\nthemaximumis:%f",max(t,z));”中，max函數(shù)作為printf函數(shù)中的一個參數(shù)；

(3)只完成一定功能而沒有返回值的函數(shù)可單獨成為一個語句，例如例4.8的語句：

end_information();

程序說明：若是按自左向右順序求值的系統(tǒng)，輸出結果應該是：44。所以該編譯系統(tǒng)是按自右向左順序求值的。圖4.9例4.9的運行結果4.3.3函數(shù)調用的數(shù)據(jù)傳遞方式

C語言中，函數(shù)的實參和形參之間的數(shù)據(jù)傳遞是單方向的值傳遞方式。只能將實參的值傳遞給形參，而不能將形參的值傳遞給實參。形參值的變化不影響實參。

當調用函數(shù)時，給形參分配內存單元，將實參的值賦給形式參數(shù)。函數(shù)執(zhí)行完后，形參占用的空間被釋放，實參仍為調用前的值。

【例4.10】

形參值的變化不影響實際參數(shù)的值。

程序如下：

程序說明：main函數(shù)調用函數(shù)change時，系統(tǒng)給形參x、y分配空間，將實參a的值賦給形參x，實參b的值賦給形參y。執(zhí)行change函數(shù)時，x、y重新被賦值。change函數(shù)執(zhí)行完x、y占用的空間被釋放。形參x、y的變化影響不到實參a、b，因此main函數(shù)內輸出為“a=3,b=4”。圖4.10例4.10的運行結果

4.4函數(shù)的嵌套調用

4.4.1函數(shù)的嵌套調用

C語言中，函數(shù)不允許嵌套定義，但可以嵌套調用，即在調用一個函數(shù)的過程中，被調用函數(shù)調用另一個函數(shù)。

【例4.11】

求兩個整數(shù)的最小公倍數(shù)。

程序如下：圖4.11例4.11的運行結果例4.11的程序運行過程如圖4.12所示。從main函數(shù)開始執(zhí)行，輸入兩個整數(shù)后調用multiple函數(shù)，multiple函數(shù)用調用了divisor函數(shù)。divisor函數(shù)執(zhí)行完返回multiple函數(shù)執(zhí)行，multiple函數(shù)執(zhí)行完返回main函數(shù)執(zhí)行。main函數(shù)執(zhí)行完，程序執(zhí)行結束。圖4.12嵌套調用圖4.13例4.12的運行結果4.4.2函數(shù)的遞歸調用

函數(shù)可以直接或間接地調用自身，這種調用方式稱為函數(shù)的遞歸調用。例如，例4.13和例4.14都屬于函數(shù)的遞歸調用，例4.13直接調用自身，例4.14是間接的調用自身。

注意：雖然遞歸是直接或間接的調用自身，但和調用其他函數(shù)一樣每次被調用都需要重新開辟空間，并不共用同一內存空間。因此調用自身和調用其他函數(shù)的調用過程沒有

區(qū)別。例4.13和例4.14的遞歸調用是無休止的自身調用。顯然無休止的調用是不合理的，也是不允許的。合理的遞歸調用應是有限的，是滿足一定條件能停止的遞歸調用。例4.15就是一個合理的遞歸調用。

【例4.15】

求n!的遞歸程序。

程序如下：圖4.14例4.15的運行結果如圖4.15所示，例4.15在輸入3時的遞歸調用過程為：從main函數(shù)調用fac函數(shù)求3！開始，變成fac函數(shù)調用fac函數(shù)求2！，再變成fac函數(shù)調用fac函數(shù)求1！。然后再返回1！的值，得到2！，返回2！的值，得到3！，返回main函數(shù)輸出。圖4.15遞歸調用由例4.15看出，函數(shù)遞歸調用的過程可分為遞歸過程和回溯過程兩個階段。

(1)遞歸過程：將原始問題不斷轉化為規(guī)模更小且處理方式相同的新問題。

(2)回溯過程：從已知條件出發(fā)，沿遞歸的逆過程逐一求值返回，直至遞歸初始處，則完成遞歸調用。

通過fac函數(shù)執(zhí)行過程的分析可以看出遞歸算法解決問題的方式：將初始問題轉化為解決方法相同的新問題，而新問題的規(guī)模要比原始問題小；新問題又可以轉化為規(guī)模更小的問題；這樣處理問題直至最終歸結到可以簡單解決的問題——遞歸的終結條件。遞歸調用會占用大量內存和時間，使得執(zhí)行效率低。但采用遞歸方法編寫的程序簡潔、可讀性好。其優(yōu)點使遞歸方法成為解決某些問題的最佳方法，例如漢諾塔問題。

【例4.16】

漢諾塔問題：古代有一座梵塔，塔內有a、b、c三個底座，上面可放盤子。初始a座上有n個盤子，這些盤子大小各不相同，大盤在下，小盤在上，依次排列。要求將a座上n個盤子移至c座上，每次只能移動一個，但要求移動過程中保持3個座上始終小盤子在上，大盤子在下。移動過程中可以借助b座實現(xiàn)移動。編寫程序求出盤子的移動步驟。

問題分析：這個問題可用遞歸思想分析，將n個盤子由a座移動到c座可分為如下三個過程：

(1)先將a座上n－1個盤子借助c座移至b座；

(2)再將a座上最下面一個盤子移至c座；

(3)最后將b座上n－1個盤子借助a座移至c座。

這樣就把移動n個盤子的問題轉化為移動n－1個盤子的問題。按這種思路，再將移動n－1個盤子的問題轉化為移動n－2個盤子的問題，直至移動一個盤子。程序如下：

圖4.16例4.16的運行結果

4.5變量的作用域

編寫程序時，除了要了解變量占用內存大小和運算規(guī)則外，還需要知道變量的作用域和存儲類型。

變量只能在它的作用范圍內使用，即變量在它的作用域之外不能被引用。變量的作用域直接與變量定義的位置相關。在函數(shù)內部(或復合語句內部)定義的變量稱為內部變量。內部變量的作用域是定義它的函數(shù)(或復合語句)。在函數(shù)外任意位置定義的變量稱為外部變量。外部變量的作用域是從定義或聲明的位置開始，直至它所在源程序文件的結束。

【例4.17】

注意變量的作用域。例4.17中main函數(shù)的內部變量x、y和函數(shù)f1的內部變量x、y雖然同名，卻是完全不相關的變量。因為它們的作用域完全不同，是不同的變量，不產生沖突。如圖4.17所示。

作用域不同的同名變量有時會出現(xiàn)作用域的部分重疊，這時系統(tǒng)通常都選擇作用域范圍小的變量有效。例如例4.18函數(shù)f1的內部變量a、b和全局變量a、b重疊，但是執(zhí)行f1時，有效的是內部變量a、b。圖4.17相關變量的作用域圖4.18例4.18的運行結果內部變量有助于實現(xiàn)信息隱蔽，即使不同的函數(shù)定義了同名的內部變量，也不會相互影響。而外部變量的使用增加了函數(shù)之間傳遞數(shù)據(jù)的途徑。如果一個函數(shù)需要返回兩個或兩個以上的計算結果時，可以使用外部變量傳遞數(shù)據(jù)。例如，例4.19使用外部變量將函數(shù)f1計算的四個結果傳送到了main函數(shù)中。

【例4.19】

求兩個數(shù)的和、差、積、商。

程序如下：輸入“8811”時，程序的運行結果如圖4.19所示。

外部變量的使用會降低函數(shù)的通用性。過多使用外部變量，會使函數(shù)之間的依賴性增加，耦合性增高。這種情況不利于程序的結構化設計方式。因此，除非真正需要，建議避免使用外部變量。圖4.19例4.19的運行結果

4.6變量的存儲類別

根據(jù)變量在程序運行期間是否需占用固定的存儲單元，變量的存儲類別可分為以下兩類。

(1)動態(tài)存儲：程序運行期間不需要長期占用內存單元。動態(tài)存儲的變量有auto(自動)類型和register(寄存器)類型。

(2)靜態(tài)存儲：靜態(tài)存儲的變量在編譯時被分配空間，在整個程序運行期間一直占用固定的內存空間，程序運行結束才釋放內存空間?？梢杂胹tatic、extern定義和聲明靜態(tài)存儲類別的變量。

C程序運行時占用的內存空間通常分為程序區(qū)、靜態(tài)存儲區(qū)和動態(tài)存儲區(qū)三部分。動態(tài)存儲類別的變量可存放在兩個地方——動態(tài)存儲區(qū)和寄存器。靜態(tài)存儲類別的變量只能存放于靜態(tài)存儲區(qū)中。

定義變量時需要說明存儲類別。因此，完整的變量定義形式應為

存儲類別數(shù)據(jù)類型變量列表；4.6.1內部變量的存儲類別

內部變量可存放于內存的動態(tài)存儲區(qū)、靜態(tài)存儲區(qū)和寄存器。但無論內部變量存放在何處，它的作用域是不變的。

1.auto(自動)變量

C系統(tǒng)默認內部變量的存儲類型是auto類型。例如，函數(shù)內部的語句“inta;”和語句“autointa;”是完全等價的。

自動變量在其定義所在的函數(shù)(或復合語句)開始執(zhí)行時才分得內存空間，在該函數(shù)(或復合語句)執(zhí)行期間占用內存空間。在函數(shù)(或復合語句)執(zhí)行結束時自動變量占用的空間被系統(tǒng)收回。

例4.20中的函數(shù)f1被調用時，系統(tǒng)在動態(tài)存儲區(qū)內分配空間給auto變量a、b。當f1結束時，系統(tǒng)回收變量a、b所占內存空間。圖4.20例4.20的運行結果

2.register(寄存器)變量

register變量和auto變量不同之處在于register變量被存放在寄存器中，因此比auto變量存取速度快得多。通常將頻繁使用的變量放在寄存器中，以提高程序的執(zhí)行速度。例如循環(huán)體內涉及的內部變量可定義為register變量。

計算機中寄存器的數(shù)量是有限的，而且寄存器的數(shù)據(jù)長度也是有限的。因此register變量不能定義太多，也不能是數(shù)據(jù)類型太大的變量(如數(shù)組、結構體等類型的變量)。

現(xiàn)今register變量定義通常是不必要的。優(yōu)化的編譯系統(tǒng)能夠識別使用頻繁的變量，并將其放到寄存器之中。

3.static(靜態(tài))變量

static變量存放在內存中的靜態(tài)存儲區(qū)。static內部變量在整個程序運行期間占用固定的內存單元。即使static內部變量所在的函數(shù)執(zhí)行結束后，static內部變量也不釋放存儲單元。因而再次調用static內部變量所在函數(shù)時，static內部變量的值為上次調用結束時的值。

系統(tǒng)在編譯時為static變量分配空間并賦初值，對于