【C++】《C++ Primer 》第六章

第六章 函数

一、函数基础

• 函数定义：包括返回类型、函数名字和0个或者多个形参（parameter）组成的列表和函数体。
• 调用运算符：调用运算符的形式是一对圆括号 ()，作用于一个表达式，该表达式是函数或者指向函数的指针。
• 圆括号内是用逗号隔开的实参（argument）列表。
• 函数调用过程：
  • 1.主调函数（calling function）的执行被中断。
  • 2.被调函数（called function）开始执行。
• 形参和实参：形参和实参的个数和类型必须匹配上。
• 返回类型： void表示函数不返回任何值。函数的返回类型不能是数组类型或者函数类型，但可以是指向数组或者函数的指针。

1. 局部对象

• 两个非常重要的概念：
  • 名字：名字的作用于是程序文本的一部分，名字在其中可见。
  • 生命周期：对象的生命周期是程序执行过程中该对象存在的一段时间。
• 局部变量（local variable）：形参和函数体内部定义的变量统称为局部变量。它对函数而言是局部的，对函数外部而言是隐藏的。它的生命周期依赖于定义的方式。
• 在所有函数体之外定义的对象存在于程序的整个执行过程中。此类对象在程序启动时被创建，直到程序结束才会被销毁。
• 自动对象：只存在于块执行期间的对象。当块的执行结束后，它的值就变成未定义的了。
• 局部静态对象： static类型的局部变量，在程序的执行路径第一次经过对象定义语句时被创建，直到程序终止才被销毁。它的生命周期贯穿函数调用前后。

2. 函数声明

• 函数声明：函数的声明和定义唯一的区别是声明无需函数体，用一个分号替代。函数声明主要用于描述函数的接口，也称函数原型。
• 在头文件中进行声明：建议变量和函数在头文件中声明，在源文件中定义。

3. 分离式编译

• 分离式编译： CC a.cc b.cc直接编译生成可执行文件；CC -c a.cc b.cc编译生成对象代码a.o b.o； CC a.o b.o编译生成可执行文件。

二、参数传递

• 形参初始化的机理和变量初始化一样。
• 引用传递（passed by reference）：又称传引用调用（called by reference），指形参是引用类型，引用形参是它对应的实参的别名。
• 值传递（passed by value）：又称传值调用（called by value），指实参的值是通过拷贝传递给形参。

1. 传值参数

• 当初始化一个非引用类型的变量时，初始值被拷贝给变量。函数对形参做的所有操作都不会影响实参。
• 指针形参：当执行指针拷贝操作时，拷贝的是指针的值。拷贝过后，虽然两个指针是不同的指针，但是由于指针的特性，通过指针可以修改它所指向对象的值。
• 在C中：常常使用指针类型的形参访问函数外部的对象。在C++中：建议使用引用类型的形参代替指针。

2. 传引用参数

• 通过使用引用形参，允许函数改变一个或多个实参的值。
• 引用形参直接关联到绑定的对象，而非对象的副本。所以经常用引用形参来避免不必要的复制。
• 使用引用形参可以用于返回额外的信息。比如得到多个返回值。
• 如果无需改变引用形参的值，最好将其声明为常量引用。

3. const形参和实参

• 形参的顶层const被忽略。void func(const int i); 调用时既可以传入const int也可以传入int。
  
  由于这个特性，所以void func(const int i); 和 void func(int i); 不是重载。
• 可以使用非常量初始化一个底层const对象，但是反过来不行。
• 尽量使用常量引用。

4. 数组形参

• 两个特殊性质：
  • 不允许拷贝数组。所以无法以值传递的方式使用数组参数。
  • 使用数组时通常会将其转换成指针。所以在为函数传递一个数组时，实际上传递的是指向数组首元素的指针。
• 以数组作为新参的函数，也要注意数组的实际长度，不能越界。
• 管理数组实参的第一种方法：要求数组本身包含一个结束标记。

void print(const char *cp) {
    if(cp){
        while(*cp) cout << *cp++;
    }
}

• 管理数组实参的第二种方法：使用标注库规范，传递指向数组首元素和尾元素的指针。推荐使用。

void print(const int *beg, const int *en) {
    while(beg != en) cout << *beg++;
}

int j[2] = {0, 1, 2423, 4};
print(begin(j), end(j));

• 管理数组实参的第三种方法：专门定义一个表示数组大小的形参。

// const in ia[] <=> const in *ia
void print(const in ia[], size_t size) {
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
        cout << ia[i];
    }
}

• 传递多维数组

void print(int (*matrix)[10], int rowSize) {
    ;
}

// 或者
void print(int matrix[] [10], int rowSize) {
    ;
}

5. main处理命令行选项

• int main(int argc, char **argv) {...}; 第二个参数argv是一个数组，它的元素是指向C风格字符串的指针。第一个参数argc表示数组中字符串的数量。
• 当使用argv中的实参时，一定要记得可选的参数从argv[1]开始，argv[0]保持程序的名字，而非用户的输入。

6. 含有可变形参的函数

• C++11提供了两种主要的方法来解决处理不同数量实参的函数
  • 如果所有的实参类型相同，可以传递一个initializer_list的标准库类型。
  • 如果实参的类型不同，可以编写一种特殊的函数，也就是所谓的可变参数模板。
• initializer_list形参：initializer_list是一种标准库类型，用于表示某种特定的值的数组，它定义在同名的头文件中。它的操作如下表：

操作	含义
initializer_list lst;	默认初始化；T类型元素的空列表。
initializer_list lst{a,b,c};	lst的元素数量和初始值一样多；lst的元素是对应初始值的副本；列表中的元素是const。
lst2(lst)	拷贝或赋值一个initializer_list对象不会拷贝列表中的元素；拷贝后，原始列表和副本共享元素。
lst2 = lst	原始列表和副本共享元素
lst.size()	列表中的元素数量
lst.begin()	返回指向lst中首元素的指针
lst.end()	返回指向lst中微元素下一位置的指针

void err_msg(ErrCode e, initializer_list<string> il){
    cout << e.msg() << endl;
    for(cosnt auto$elem: il)
        cout << elem << " ";
    cout << endl;
}

if (expected != actual)
    err_msg(ErrCode(42), {"funcX", expected, aactual};
else
    err_msg(ErrCode(0), {"funcX", "Okay"};

三、返回类型和return语句

1. 无返回值的函数

• 没有返回值的 return语句只能用在返回类型是 void的函数中，返回 void的函数不要求非得有 return语句。它会默认的加上return 0;

2. 有返回值的函数

• return语句的返回值的类型必须和函数的返回类型相同，或者能够隐式地转换成函数的返回类型。
• 值的返回：返回的值用于初始化调用点的一个临时量，该临时量就是函数调用的结果。
• 不要返回局部对象的引用或者指针，因为函数结束，局部对象将被释放。
• 引用返回左值：函数的返回类型决定调用是否是左值。调用一个返回引用的函数得到左值；其他返回类型的函数得到右值。
• C++11:列表初始化返回值：函数可以返回花括号包围的值的列表。
• 主函数main的返回值：如果结尾没有return，编译器将隐式地插入一条返回0的return语句。返回0代表执行成功。

3. 返回数组指针

• type(*function(parameter_list))[dimension]
• 使用类型别名：typedef int arrT[10]; 或者 using arrT = int[10;]，然后 arrT* func() {...};
• 使用decltype：decltype(odd) *arrPtr(int i) {...};
• C++11:尾置返回类型：在形参列表后面以一个->开始：auto func(int i) -> int(*)[10]

四、函数重载

• 重载：如果同一作用域内几个函数名字相同但形参列表不同，我们称之为重载（overload）函数。
• main函数不能重载。
• 重载和const形参
  • 一个有顶层const的形参和没有它的函数无法区分。 Record lookup(Phone* const)和 Record lookup(Phone*)无法区分。
  • 相反，是否有某个底层const形参可以区分（形参是某种类型的指针或者引用）。 Record lookup(Account)和 Record lookup(const Account)可以区分。
• const_cast和重载

// 比较两个string对象的长度，返回较短的那个引用
const string &shorterString(const string &s1, const string &s2) {
    return s1.size() <= s2.size() ? s1 : s2;
}

// 重载一个版本：实参不是常量时，得到一个普通的引用。
string &shorterString(string &s1, string &s2) {
    auto &r = shorterString(const_cast<const string&>(s1), const_cast<const string&>(s2));
    return const_cast<string&>(r);
}

• 重载和作用域：若在内层作用域中声明名字，它将隐藏外层作用域中声明的同名实体，在不同的作用域中无法重载函数名。

五、特殊用途语言特性

1. 默认实参

• string screen(sz ht = 24, sz wid = 80, char backgrnd = ' ');
• 一旦某个形参被赋予了默认值，那么它之后的形参都必须要有默认值。

2. 内联(inline)函数

• 普通函数的一个潜在缺点：调用函数一般比求等价表达式的值要慢一些。因为调用前要先保存寄存器，并在返回时恢复；还可能需要拷贝实参；程序转向一个新的位置继续执行等；
• inline函数可以避免函数调用的开销，可以让编译器在编译时内联地展开该函数。但是注意，内联说明只是向编译器发出一个请求，编译器可以选择忽略这个请求。

inline const string & shorterString(const string &s1, const string &s2) {
    return s1.size() <= s2.size() ? s1 : s2;
}

// 使用
cout << shorterString(S1, S2) << endl;
// 编译过程中直接展开为类似下面的形式
cout << (s1.size() <= s2.size() ? s1 : s2) << endl;

• inline函数应该在头文件中定义。且只适合短小的函数。

3. constexpr函数

• constexpr函数：是指能用于常量表达式的函数，但是它不一定返回常量表达式。定义时的几个约定：1.函数的返回类型及所有形参的类型都得是字面值类型。2.函数体中必须有且只有一条return语句。
• constexpr int new_sz() {return 42;}
• constexpr函数应该在头文件中定义。

4. 调试帮助

• assert预处理宏（preprocessor macro）：assert(expr);
• NEDBUG预处理变量：CC -D NDEBUG main.c可以定义这个变量NDEBUG。

void print(){
    #ifndef NDEBUG
        cerr << __func__ << "..." << endl;
    #endif
}

六、函数匹配

• 重载函数匹配的三个步骤：1.候选函数；2.可行函数；3.寻找最佳匹配。
• 候选函数：选定本次调用对应的重载函数集，集合中的函数称为候选函数（candidate function）。
• 可行函数：考察本次调用提供的实参，选出可以被这组实参调用的函数，新选出的函数称为可行函数（viable function）。
• 寻找最佳匹配：基本思想：实参类型和形参类型越接近，它们匹配地越好。

七、函数指针

• 函数指针指向的是函数而非对象，它指向某种特定类型。函数的类型由它的返回类型和形参类型共同决定，与函数名无关。

// 比较两个string对象的长度
bool lengthCompare(const string& a, const string& b);

// 该函数的类型
bool (const string&, const string&);

// 变成函数指针，只需要将指针替换函数名即可
bool (*pr) (const string&, const string&);

• 使用函数指针：当把函数名作为一个值使用时，该函数自动转换成指针。

pf = lengthCompare;     // pf指向名为lengthCompare的函数
pf = &lengthCompare;    // 等价的赋值语句：取地址符是可选的

• 函数指针形参：
  • 形参中使用函数定义或者函数指针定义效果一样。
  • 使用类型别名或者decltype。
• 返回指向函数的指针：1.类型别名；2.尾置返回类型。