函数的本质

在C语言当中，我们可以把函数当做一个"任务"或者"一个功能"。

当我们把一块西瓜，放入榨汁机当中进行处理后，最后得到了一杯西瓜汁，整个过程其实就在执行一个特定的任务或者操作。

C语言中函数也是一样的，给一个"参数"，最终经过一系列"步骤"，得到一个"结果"。整个过程其实就是在完成一个任务或者特定的功能。

1. 函数分类

C语言中的函数大致分为2类

• 库函数
• 自定义函数

 

2. 库函数

2.1 标准库和头文件

标准库的概念

C 标准库（C Standard Library）包含了一组头文件，这些头文件提供了许多函数和宏，用于处理输入输出、字符串操作、数学计算、内存管理等常见编程任务。C语言标准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；同时库函数的质量和执行效率上都更有保证。

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://zh.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，各个击破就行。

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++官方的链接：https://zh.cppreference.com/w/c/header

cplusplus.com：https://legacy.cplusplus.com/reference/clibrary/h

举例：sqrt    pow

函数原型：

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

double pow （double   base， double  exponet）；

• pow是函数名
• base是底数，exponet是指数。表示调用pow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

sqrt

Compute square root (计算平方根)。

Returns the square root of x. (返回x的平方根)。

pow

Compute the exponential function（计算指数函数）

Returns the value of the exponential function（返回指数函数的值）

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，不包含是可能会出现一些问题的。sqrt 函数需要包含头文件 <math.h>。

2.2.3 实践

sqrt

pow

 

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

自定义函数的必要性

库函数再多，都不能满足程序员的特殊需求。这时候我们就得自己定义函数。

3.1 函数的语法形式

其实自定义函数和库函数是一样的，形式如下：

函数语法格式：

ret_type fun_name(形式参数)
{
// 函数体
}

• 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

 

3.2 函数定义

1. 写一个函数求2个整数的和

2. 写一个函数求n的阶乘

• 函数的名字最好见名思意，不要花里胡哨。
• return 的是结果，同时也表示函数的结束。

 

定义函数的理解

 

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区分

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注意

• int 和void的区别
• void为无返回值类型，无需返回值
• int需要返回值，但return只能返回一个返回值

 

3.3 函数调用

上述只是函数的定义，并不能被调用。我们以在main函数调用来进行举例。

示例1：

• 函数调用需要使用：函数名(参数列表)的方式进行调用。
• 函数调用过程当中参数的个数、数据类型、顺序均要匹配。
• 函数调用过程当中返回值类型要匹配。

示例2：

 

补充

 

3.4 函数声明

上述函数调用修改如下方式，把函数的定义放在main函数之后。重新编译程序：

编译警告：

warning C4013: "fac"未定义；假设外部返回 int

原因：C语言在编译的时候是自顶向下进行编译的。在编译到fac的时候，编译器并没有看到fac函数的定义，所以就会出现警告。

解决方案：函数声明

解决办法就是在main函数之前进行声明，提前告知程序，函数是存在的。

 

建议：我们一般建议，把main函数写到最后，因为只要多一步操作，就有一次错误的风险

4. 实参和形参

4.1 实参

实参的定义

实参即实际参数，是在调用函数时，传递给函数的真实值。它可以是常量、变量、表达式或函数返回值。

在上述代码的 main 函数中，调用 fac(a) 时的变量 a 就是实参。

4.2 形参

形参的定义

形参即形式参数，是在定义函数时，函数名后面括号中的变量。它作为函数内部的局部变量，用于接收调用时传入的实参值。

在 int fac(int n)的函数定义中，变量 n 就是形参。

4.3 实参和形参的关系

参数传递机制：值传递

在目前的知识储备之下，我们可以理解为：

• 形参和实参是2个不同的内存空间。
• 函数调用时，实参把值传递给了形参，形参是实参的一份临时拷贝。

这个现象是可以通过调试来观察的。请看下面的代码和调试演示:

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验证示例：尝试交换2个数

重要提示

因为形参只是实参的拷贝，所以在函数内部修改形参的值，无法影响到main函数中的实参。要解决这个问题，我们得引入指针！这个问题我们将在指针章节解决。

 

5. 数组做函数参数

在使用函数解决问题的时候，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。

简单思考一下，基本的形式应该是这样的：

分析

1. set_arr需要哪些参数

2. print_arr()需要哪些参数

 

改进后的 main 函数调用如下：

介绍数组名字arr代表数组首个元素的地址

即arr=arr[0]=arr[ ]

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？

6. 嵌套调用和链式访问

6.1 嵌套调用

示例：求数字n的阶乘和，如：5!的和为 1! + 2! + 3! + 4! + 5!

1. 计算单个数字阶乘的函数

2. 计算阶乘和的函数

6.2 链式访问

所谓链式访问就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进行调用。这种方式可以使代码更紧凑。

示例：求n的阶乘的平方？

7. static 和 extern

static 和 extern 都是C语言中的关键字。

static (静态的)

• 修饰局部变量
• 修饰全局变量
• 修饰函数

extern (外部的)

extern 用于声明一个在其他源文件中定义的全局变量或函数。

前置知识：作用域与生命周期

作用域： 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（可用）的，而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。

• 局部变量的作用域：变量所在的局部范围（如函数内部）。
• 全局变量的作用域：整个工程（项目）。

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。

• 局部变量的生命周期：进入作用域变量创建，生命周期开始，出作用域生命周期结束。
• 全局变量的生命周期：与整个程序的生命周期相同。

7.1 static 的用法

7.1.1 static 修饰局部变量

对比下面两段代码的效果，可以理解static修饰局部变量的意义。

代码1

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代码2

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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

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。

static将局部变量i由栈区放到静态区。

使用建议

未来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。

7.1.2 static 修饰全局变量

 

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链接性错误。

结论

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。 本质原因是全局变量默认是具有外部链接属性的，在外部的文件中想使用，只要适当的声明就可以使用；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了，其他源文件，即使声明了，也是无法正常使用的。

使用建议

如果一个全局变量只想在它所在的源文件内部使用，不想被其他文件意外地访问或修改，就可以使用static修饰。

7.1.3 static 修饰函数

代码1

add.c

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test.c

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代码2

add.c

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test.c

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代码1是能够正常运行的，但是代码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。

8. 多文件下的代码书写

在公司日常开发过程当中，我们经常会涉及多文件下的代码书写，项目代码不可能只放在一个.c文件中。

新建fac.c文件，把阶乘代码放进去。

按照上述方法，可以通过extern关键字进行声明。

那如果fac.c中再有一个函数呢？

test.c的繁琐形式如下

解决方案：使用头文件

为了解决多个 extern 声明带来的管理问题，我们可以使用头文件（.h 文件）来统一管理所有外部函数的声明。

定义 fac.h (头文件)

定义 fac.c (源文件)

test.c实现方式

这样就解决了多个extern带来的问题。

问题：使用尖括号引入头文件和使用双引号引入头文件的区别是什么？

主要区别在于编译器搜索头文件的路径和顺序不同

1. 使用双引号时，编译器会按照以下顺序查找头文件：
   1. 当前目录：首先在包含此 #include 指令的源文件所在的目录中查找。
   2. 系统目录：如果在当前目录中没有找到该文件，编译器会接着到系统指定的标准包含目录中查找，这个过程和使用尖括号一样。
   3. 使用场景：通常用于包含项目自定义的头文件。因为这些头文件通常与源文件存放在同一个项目目录或其子目录中。
2. 使用尖括号时，编译器只会在系统指定的标准包含目录中查找头文件。 它不会在源文件所在的当前目录中查找。

这些标准目录通常包括：

1. 编译器安装时自带的头文件目录（例如 /usr/include）。

2. Windows上安装的目录，比如我们可以找到stdio.h的所在的目录。(具体方法可以右键代码中的stdio.h，打开该文件，从而打开文件所在目录)

3. 使用场景：通常用于包含C标准库头文件或外部库的头文件。

以后书写建议

例如

📋 本节总结

• 函数的概念：完成特定任务的代码块。
• 函数的分类：库函数和自定义函数。
• 自定义函数的定义、调用和声明三要素。
• 参数传递机制：实参的值被拷贝给形参（值传递）。
• 数组作为函数参数时，通常需要同时传递数组大小。
• 函数的嵌套调用（函数内调函数）与链式访问（返回值作参数）。
• static关键字改变变量的生命周期（存储位置）和符号的链接属性。
• 使用头文件（.h）和源文件（.c）进行多文件模块化编程。