Функция – это именованная последовательность описаний и операторов, выполняющая какое-либо законченное действие. Функция может принимать параметры и возвращать значение.
Любая программа на C++ состоит из функций, одна из которых должна иметь имя main (с нее начинается выполнение программы). Функция начинает выполняться в момент вызова. Любая функция должна быть объявлена и определена. Как и для других величин, объявлений может быть несколько, а определение только одно. Объявление функции должно находиться в тексте раньше ее вызова для того, чтобы компилятор мог осуществить проверку правильности вызова.
Объявление функции (прототип, заголовок, сигнатура) задает ее имя, тип возвращаемого значения и список передаваемых параметров. Определение функции содержит, кроме объявления, тело функции, представляющее собой последовательность операторов и описаний в фигурных скобках:
[класс] тип имя ([список_параметров])[throw (исключения)]
{тело функции}
Рассмотрим составные части определения.
- С помощью необязательного модификатора класс можно явно задать область видимости функции, используя ключевые слова extern и static: extern – глобальная видимость во всех модулях программы (по умолчанию); static – видимость только в пределах модуля, в котором определена функция.
- Тип возвращаемого функцией значения может быть любым, кроме массива и функции (но может быть указателем на массив или функцию). Если функция не должна возвращать значение, указывается тип void.
- Список параметров определяет величины, которые требуется передать в функцию при ее вызове. Элементы списка параметров разделяются запятыми. Для каждого параметра, передаваемого в функцию, указывается его тип и имя (в объявлении имена можно опускать).
В определении, в объявлении и при вызове одной и той же функции типы и порядок следования параметров должны совпадать. На имена параметров ограничений по соответствию не накладывается, поскольку функцию можно вызывать с различными аргументами, а в прототипах имена компилятором игнорируются (они служат только для улучшения читаемости программы).
Функцию можно определить как встроенную с помощью модификатора inline, который рекомендует компилятору вместо обращения к функции помещать ее код непосредственно в каждую точку вызова. Модификатор inline ставится перед типом функции. Он применяется для коротких функций, чтобы снизить накладные расходы на вызов (сохранение и восстановление регистров, передача управления). Директива inline носит рекомендательный характер и выполняется компилятором по мере возможности. Использование inline-функций может увеличить объем исполняемой программы. Определение функции должно предшествовать ее вызовам, иначе вместо inline-расширения компилятор сгенерирует обычный вызов.
Тип возвращаемого значения и типы параметров совместно определяют тип функции.
Для вызова функции в простейшем случае нужно указать ее имя, за которым в круглых скобках через запятую перечисляются имена передаваемых аргументов. Вызов функции может находиться в любом месте программы, где по синтаксису допустимо выражение того типа, который формирует функция. Если тип возвращаемого функцией значения не void, она может входить в состав выражений или, в частном случае, располагаться в правой части оператора присваивания.
Bсe величины, описанные внутри функции, а также ее параметры, являются локальными. Областью их действия является функция. При вызове функции, как и при входе в любой блок, в стеке выделяется память под локальные автоматические переменные. Кроме того, в стеке сохраняется содержимое регистров процессора на момент, предшествующий вызову функции, и адрес возврата из функции для того, чтобы при выходе из нее можно было продолжить выполнение вызывающей функции.
При выходе из функции соответствующий участок стека освобождается, поэтому значения локальных переменных между вызовами одной и той же функции не сохраняются. Если этого требуется избежать, при объявлении локальных переменных используется модификатор static.
При совместной работе функции должны обмениваться информацией. Это можно осуществить с помощью глобальных переменных, через параметры и через возвращаемое функцией значение.
Глобальные переменные видны во всех функциях, где не описаны локальные переменные с теми же именами, поэтому использовать их для передачи данных между функциями очень легко. Тем не менее это не рекомендуется, поскольку затрудняет отладку программы и препятствует помещению функций в библиотеки общего пользования. Нужно стремиться к тому, чтобы функции были максимально независимы, а их интерфейс полностью определялся прототипом функции.
Механизм возврата из функции в вызвавшую ее функцию реализуется оператором
return [выражение];
Функция может содержать несколько операторов return. Если функция описана как void, выражение не указывается. Оператор return можно опускать для функции типа void, если возврат из нее происходит перед закрывающей фигурной скобкой, и для функции main.
Выражение, указанное после return, неявно преобразуется к типу возвращаемого функцией значения и передается в точку вызова функции.
Механизм параметров является основным способом обмена информацией между вызываемой и вызывающей функциями. Параметры, перечисленные в заголовке описания функции, называются формальными параметрами, или просто параметрами, а записанные в операторе вызова функции – фактическими параметрами, или аргументами.
При вызове функции в первую очередь вычисляются выражения, стоящие на месте аргументов; затем в стеке выделяется память под формальные параметры функции в соответствии с их типом, и каждому из них присваивается значение соответствующего аргумента. При этом проверяется соответствие типов и при необходимости выполняются их преобразования. При несоответствии типов выдается диагностическое сообщение.
Существует два способа передачи параметров в функцию: по значению и по адресу.
При передаче по значению в стек заносятся копии значений аргументов, и операторы функции работают с этими копиями. Доступа к исходным значениям параметров у функции нет, а, следовательно, нет и возможности их изменить.
При передаче по адресу в стек заносятся копии адресов аргументов, а функция осуществляет доступ к ячейкам памяти по этим адресам и может изменить исходные значения аргументов:
При передаче по ссылке в функцию передается адрес указанного при вызове параметра, а внутри функции все обращения к параметру неявно разыменовываются. Поэтому использование ссылок вместо указателей улучшает читаемость программы, избавляя от необходимости применять операции получения адреса и разыменования. Использование ссылок вместо передачи по значению более эффективно, поскольку не требует копирования параметров, что имеет значение при передаче структур данных большого объема.
Если требуется запретить изменение параметра внутри функции, используется модификатор const.
Таким образом, исходные данные, которые не должны изменяться в функции, предпочтительнее передавать ей с помощью константных ссылок.
По умолчанию параметры любого типа, кроме массива и функции (например, вещественного, структурного, перечисление, объединение, указатель), передаются в функцию по значению.
При использовании в качестве параметра массива в функцию передается указатель на его первый элемент, иными словами, массив всегда передается по адресу. При этом информация о количестве элементов массива теряется, и следует передавать его размерность через отдельный параметр (в случае массива символов, то есть строки, ее фактическую длину можно определить по положению нуль-символа).
При передаче многомерных массивов все размерности, если они не известны на этапе компиляции, должны передаваться в качестве параметров. Внутри функции массив интерпретируется как одномерный, а его индекс пересчитывается в программе.
Функцию можно вызвать через указатель на нее. Для этого объявляется указатель соответствующего типа и ему с помощью операции взятия адреса присваивается адрес функции:
void f (int а) { / * . . . * / } // определение функции
void (*pf)(int); // указатель на функцию
pf = &f; // указателю присваивается адрес функции
// (можно написать pf = f ;)
pf(10); // функция f вызывается через указатель pf
// (можно написать (*pf)(10) )
Для того чтобы сделать программу легко читаемой, при описании указателей на функции используют переименование типов (typedef). Можно объявлять массивы указателей на функции (например, при реализации меню):
// Описание типа PF как указателя
// на функцию с одним параметром типа int;
typedef void (*PF)(int);
// Описание и инициализация массива указателей:
PF menu[] = {&new, &open, &save};
menu[l](10); // Вызов функции open
Здесь new, open и save – имена функций, которые должны быть объявлены ранее.
Указатели на функции передаются в подпрограмму таким же образом, как и параметры других типов. Тип указателя и тип функции, которая вызывается посредством этого указателя, должны совпадать в точности.
Чтобы упростить вызов функции, в ее заголовке можно указать значения параметров по умолчанию. Эти параметры должны быть последними в списке и могут опускаться при вызове функции. Если при вызове параметр опущен, должны быть опущены и все параметры, стоящие за ним. В качестве значений параметров по умолчанию могут использоваться константы, глобальные переменные и выражения.
Если список формальных параметров функции заканчивается многоточием, это означает, что при ее вызове на этом месте можно указать еще несколько параметров. Проверка соответствия типов для этих параметров не выполняется, char и short передаются как int, а float – как double. Для доступа к необязательным параметрам внутри функции используются макросы библиотеки va_start. va_arg и va_end, находящиеся в заголовочном файле <stclarg.h>.
Рекурсивной называется функция, которая вызывает саму себя. Такая рекурсия называется прямой. Существует еще косвенная рекурсия, когда две или более функций вызывают друг друга. Если функция вызывает себя, в стеке создается копия значений ее параметров, как и при вызове обычной функции, после чего управление передается первому исполняемому оператору функции. При повторном вызове этот процесс повторяется. Ясно, что для завершения вычислений каждая рекурсивная функция должна содержать хотя бы одну нерекурсивную ветвь алгоритма, заканчивающуюся оператором возврата. При завершении функции соответствующая часть стека освобождается, и управление передается вызывающей функции, выполнение которой продолжается с точки, следующей за рекурсивным вызовом.
Рекурсивные функции чаще всего применяют для компактной реализации рекурсивных алгоритмов, а также для работы со структурами данных, описанными рекурсивно, например, с двоичными деревьями. Любую рекурсивную функцию можно реализовать без применения рекурсии, для этого программист должен обеспечить хранение всех необходимых данных самостоятельно. Достоинством рекурсии является компактная запись, а недостатками – расход времени и памяти на повторные вызовы функции и передачу ей копий параметров, и, главное, опасность переполнения стека.
Часто бывает удобно, чтобы функции, реализующие один и тот же алгоритм для различных типов данных, имели одно и то же имя. Если это имя мнемонично, то есть несет нужную информацию, это делает программу более понятной, поскольку для каждого действия требуется помнить только одно имя. Использование нескольких функций с одним и тем же именем, но с различными типами параметров, называется перегрузкой функций.
Компилятор определяет, какую именно функцию требуется вызвать, по типу фактических параметров. Этот процесс называется разрешением перегрузки. Тип возвращаемого функцией значения в разрешении не участвует. Механизм разрешения основан на достаточно сложном наборе правил, смысл которых сводится к тому, чтобы использовать функцию с наиболее подходящими аргументами и выдать сообщение, если такой не найдется.
Если точного соответствия не найдено, выполняются продвижения порядковых типов в соответствии с общими правилами, например, bool и char в int, float в double и т.д. Далее выполняются стандартные преобразования типов, например, int в double или указателей в void*. Следующим шагом является выполнение преобразований типа, заданных пользователем, а также поиск соответствий за счет переменного числа аргументов функций. Если соответствие на одном и том же этапе может быть получено более чем одним способом, вызов считается неоднозначным и выдается сообщение об ошибке.
Неоднозначность может появиться при:
- преобразовании типа;
- использовании параметров-ссылок;
- использовании аргументов по умолчанию.
Правила описания перегруженных функций.
- Перегруженные функции должны находиться в одной области видимости, иначе произойдет сокрытие аналогично одинаковым именам переменных во вложенных блоках.
- Перегруженные функции могут иметь параметры по умолчанию, при этом значения одного и того же параметра в разных функциях должны совпадать. В различных вариантах перегруженных функций может быть различное количество параметров по умолчанию.
- Функции не могут быть перегружены, если описание их параметров отличается только модификатором const или использованием ссылки.
Многие алгоритмы не зависят от типов данных, с которыми они работают. Естественно желание параметризовать алгоритм таким образом, чтобы его можно было использовать для различных типов данных. Первое, что может прийти в голову – передать информацию о типе в качестве параметра. Использование дополнительного параметра означает генерацию дополнительного кода, что снижает эффективность программы, особенно при рекурсивных вызовах и вызовах во внутренних циклах; кроме того, отсутствует возможность контроля типов. Другим решением будет написание для работы с различными типами данных нескольких перегруженных функций, но в таком случае в программе будет несколько одинаковых по логике функций, и для каждого нового типа придется вводить новую.
В C++ есть мощное средство параметризации – шаблоны. Существуют шаблоны функций и шаблоны классов. С помощью шаблона функции можно определить алгоритм, который будет применяться к данным различных типов, а конкретный тип данных передается функции в виде параметра на этапе компиляции. Компилятор автоматически генерирует правильный код, соответствующий переданному типу. Таким образом, создается функция, которая автоматически перегружает сама себя и при этом не содержит накладных расходов, связанных с параметризацией.
Формат простейшей функции-шаблона:
template <class Туре> заголовок{
/* тело функции */
}
Вместо слова Туре может использоваться произвольное имя.
В общем случае шаблон функции может содержать несколько параметров, каждый из которых может быть не только типом, но и просто переменной, например:
template <class А. class В. int i> void f(){ ... }
Первый же вызов функции, который использует конкретный тип данных, приводит к созданию компилятором кода для соответствующей версии функции. Этот процесс называется инстанцированием шаблона (instantiation). Конкретный тип для инстанцирования либо определяется компилятором автоматически, исходя из типов параметров при вызове функции, либо задается явным образом. При повторном вызове с тем же типом данных код заново не генерируется. На месте параметра шаблона, являющегося не типом, а переменной, должно указываться константное выражение.
Чтобы применить функцию-шаблон к типу данных, определенному пользователем (структуре или классу), требуется перегрузить операции для этого типа данных, используемые в функции.
Как и обычные функции, шаблоны функций могут быть перегружены как с помощью шаблонов, так и обычными функциями.
Функция, которой передается управление после запуска программы, должна иметь имя main. Она может возвращать значение в вызвавшую систему и принимать параметры из внешнего окружения. Возвращаемое значение должно быть целого типа. Стандарт предусматривает два формата функции:
// без параметров:
тип main(){ /* ... */ }
// с двумя параметрами:
тип main(int argc, char* argv[]){ /* ... */ }
При запуске программы параметры разделяются пробелами. Имена параметров в программе могут быть любыми, но принято использовать argc и argv. Первый параметр (argc) определяет количество параметров, передаваемых функции, включая имя самой программы, второй параметр (argv) является указателем на массив указателей типа char*. Каждый элемент массива содержит указатель на отдельный параметр командной строки, хранящийся в виде С-строки, оканчивающейся нуль-символом. Первый элемент массива (argv[0]) ссылается на полное имя запускаемого на выполнение файла, следующий (argv[l]) указывает на первый параметр, argv[2] — на второй параметр, и так далее. Параметр argv[argc] должен быть равен 0.
Если функция main() ничего не возвращает, вызвавшая система получит значение, означающее успешное завершение. Ненулевое значение означает аварийное завершение. Оператор возврата из main() можно опускать.
