C++的那些事：函数全解析

一、函数的结构

函数在C++中可能出现在三种地方，一是函数的定义，它包括了如上图的结构；二是函数的声明，它与函数的定义相比，没有了函数体部分；三则是函数的调用。当然，不同的函数定义可以还会稍有不同，比如类的成员函数、内联函数等。这里我们主要讨论函数的调用时需要注意的一些问题。

二、参数传递

我们将函数定义或声明里的参数叫形参，而在调用函数时传入的参数叫实参。那么根据形参类型的不同，有几下形式的参数传递。

1，非引用形参

1）普通的内置类型

普通非引用类型的参数通过复制对应的实参实现形参的初始化。当用实参的副本初始化形参时，函数并没有访问调用所传递的实参的本身，因此函数不可能改实参的值。比如下面的交换两个数的程序：

void swap(int v1, int v2)
{
    int temp = v1;
    v2 = v1;
    v1 = temp;
}

swap(a, b);// 调用swap

上面程序中，实参为a与b，但是在调用时，v1与v2接受的是a与b的副本，所以实际上a与b的值没有变化。

2）指针形参

函数的形参可以是指针，此时将复制实参指针，其实这类跟1）原理类似，函数内并无法改变实参的指针值。只是函数可以通过复制到的地址改变实参指针所指向的值。

void swap(int* v1, int* v2)
{
    int temp = *v2;
    *v2 = *v1;
    *v1 = temp;
}
int main()
{
    int a = 10,b = 20;
    int *p1 = &a,*p2 = &b;
    swap(p1,p2);
    return 0;
}

上面程序中定义的swap的形参为指针类型，main中调用swap，实际上swap并不能改变p1与p2的值，只是改变了它们所指向的值。

3）const 形参

对于普通的非引用类型用const修饰实际上是没有意义的，因为本来函数就不会改变实参的值。像下面的定义，实际中编译器会忽略const的定义，而将其视为int型。

void fcn(const int i);

2，引用形参

1）在上面的程序中我们看到，如果想交换两个变量的值，通过调用普通的非引用类型形参的函数，并不能实现。用它们的指针可以，同时我们也可以用引用。

void swap(int& v1, int& v2)
{
    int temp = v2;
    v2 = v1;
    v1 = temp;
}
int main()
{
    int a = 10,b = 20;
    swap(a,b);
    return 0;
}

在实际调用swap时，v1与v2实际相当于a与b的另一个名字。

2）在有的时候我们需要向函数传递大型对象，需要使用引用形参，如果直接使用复制实参的形式可以，但是它的效率太低了，甚至有些对象是无法复制的。但是使用引用形参时，我们不希望函数改变了实参传入的值，我们就可以使用const来限定形参。下面程序用来判断哪个字符串更长，明显我们不希望函数会改变字符串的内容，我们就可以用const引用型的形参。

bool isLonger(const string &s1, const string &s2)
{
    return s1.size() > s2.size();
}

所以，如果使用引用形参的惟一的目的是避免复制实参时，则应将形参定义为const引用。

3）在使用引用形参函数时，有两点值得注意：

不要用const限定的实参或字面值来调用非const引用形参函数。因为这样函数内，可以改变实参的值，这不合法。

非const引用形参只能与完全同类型的非const对象关联。

4）传递指向指针的引用

如下有下面的程序：

void swap(int* &v1, int* &v2)
{
    int* temp = v2;
    v2 = v1;
    v1 = temp;
}
int main()
{
    int a = 10,b = 20;
    int* p1 = &a, *p2 = &b;
    swap(p1,p2);
    return 0;
}

上面的程序依然不能改变a与b的值，但是它改变了p1与p2的值，现在p1指向了b，而p2指向了a。

3，其他类型的形参

1）vector和其他类型的形参：一般在这种类型作为形参时，为了避免复制应该考虑形参声明为引用类型。C++程序员倾向于传递容器中需要处理的元素的迭代器来传递容器。

2）数组形参：由于数组不能复制，所以不能直接编写数组类型的形参函数，一般通过传递指向数组的元素的指针来处理数组。值得注意的是在通过引用传递数组时，在调用函数时形参与实参的类型要匹配。

void printValues(int (&ar)[10]);
int main()
{
    int i = 0, j[2] = { 0, 1 };
    int k[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
    printValues(i);  //error int不能初始化 int(&)[10]
    printValues(j);  //error int[2] 不能初始化 int(&)[10]
    printValues(k);   // ok
    return 0;
}

二、函数的返回值

1）没有返回值

很多函数并没有返回值，尤其是现在C++风格，习惯于把需要的结果作为引用形参。这类型函数一般没有return语句，有时候有return是使函数中途中断执行。

2）返回非引用类型

这种情况在函数调用处，程序会用一个临时变量复制函数的返回值。

3）返回引用

当函数返回引用类型时，并没有复制返回值。相反，返回的是对象本身。

在返回引用这种情况下，注意不要返回局部变量的引用，因为局部变量在函数体内定义，当函数执行完后就销毁了，所谓的引用也就没有意义了。同理，不要返回指向局部变量的指针。

三、重载函数

出现在相同作用域中的两个函数，如果具有相同的名字而形参不同，则称为重载函数。

1）注意区分函数重载与重复声明

有些看起来不同的形参，本质是相同的。下面代码中的都是重复声明的例子

typedef double newDouble;
int func(double i);
int func(newDouble i);  // 没有新类型

int func1(int, int = 1); //只是提供默认参数
int func1(int ,int);

int func2(int);
int func2(const int);  //对于普通非引用形参用cosnt修饰是没有意义的

2）重载与作用域

局部声明的函数，将屏蔽所有全局作用的同名函数。下面例子显示，即使全局作用的函数更加匹配调用的实参类型，但是仍然调用的是局部的函数。

void print(int);
int main()
{
    void print(double);
    print(42);
    return 0;
}

上面程序中，将调用void print(double)函数，虽然42是int型。

3）重载确定的三个步骤

如果定义了众多的函数重载，将存在函数调用到底与哪个重载函数相匹配的问题。我们通过下面的示例代码来说明问题：

void f();  // 1
void f(int);// 2
void f(double);// 3
void f(int, int);// 4
void f(double, double);// 5

第一步：确定候选函数

假如我们调用f(4.2)，那么先找到同名函数，并且在作用域内可见，上面例子中5个函数都满足。

第二步：选择可行的函数

必须满足2个条件：一是函数形参与该调用实参个数相同；第二，每个实参的类型必须与对应的类型匹配，或者可以被隐式转换为对应的形参类型。这里我们再调用f(4.2)时，排除了1、4、5号函数，只剩下2与3。其中2号函数可以通过类型转换来满足。

第三步：寻找最佳匹配

在经过第二步确定后，剩下2与3函数，那么2需要进行类型转换，显然3是最佳匹配了。

但是如果这样调用f(42,4.2)。这时候就会出现二义性，编译器将提示。

还有一种要注意的就是有默认参数的函数，比如我们定义6号函数为void f(double,int =1);那么在调用f(4.2)时就会有二义性。

可基于函数的引用形参是指向const对象还是指向非const对象实现函数重载。

bool isLonger(const string &s1, const string &s2)
{
    return s1.size() > s2.size();
}

四、函数指针

1，如何定义一个指针为函数类型？我们知道一个函数的类型是由它的返回类型和形参类型共同决定，而与函数名无关。所以在定义一个指向函数的指针，必须包含形参表与返回值这些信息。

下面来看一个比较两个字符串长度的函数：

bool lengthCompare(const string&, const string&);

那么这个函数的类型即bool(const string&, const string&) 。如果要想定义一具指向这种类型函数的指针，则可以如下定义：

bool (*pf) (const string&, const string&);

注意上式中*pf外面的括号不可以省略，不然pf就成了一个函数的定义，这个函数返回一个指向bool类型的指针。

2，当我们把函数名作为一个值使用时，该函数自动地转换成指针，所以我们可以这样对函数指针pf初始化。

pf = lengthCompare;
pf = &lengthCompare;

上面两种方法是等价的。

那么在使用函数指针时，我们可以解引用，也可以不解引用。

bool b1 = pf("hello","goodbye");
bool b2 = (*pf)("hello","goodbye");

3，在给函数指针赋值的时候，一定要注意函数类型的完全匹配，但是我们可以给指向任意函数类型的指针赋一个nullptr或值为0的整型常量表达式，表示该指针没有指向任何一个函数。

4，如果定义了指向重载函数的指针，在使用这个指针时并不是根据形参来确定所调用的函数，而是根据指针的具体函数类型。即，编译器根据指针类型决定选用哪个函数，指针类型必须与重载函数中的某一个精确匹配。

void ff(int*);
void ff(int);
void ff(unsigned int);

void (*pf)(unsigned int) = ff; // pf指向ffunsigned int)
int num = 42;
pf(num); // num将转换为unsigned类型

5，函数指针作为另一个函数的形参。

有的时候，我们需要将一个函数作为一个参数传递给别一个参数，比如定义一个函数用来返回两个对象中较大的那个，那么我们需要将一个比较函数作为参数传递。

const string& BigString(const string& s1, const string& s2, bool pf(const string& ,const string&));
const string& BigString(const string& s1, const string& s2, bool (*pf)(const string& ,const string&));

上面定义的函数原型显得有点冗长，我们可以定义函数类型，来简化上面的代码：

// 定义函数类型
typedef bool Func(const string&, const string&);
typedef decltype(lengthCompare) Func;
// 定义指针类型
typedef bool (*Func)(const string&, const string&);
typedef decltype(lengthCompare)* Func;

有了上面的定义，我们就可以简单BigString的定义了：

const string& BigString(const string& ,const string, Func);

6，函数返回值为一个函数指针。

我们知道，函数并不能返回一个函数，但是可以返回一个指向函数的指针。

最简单的方法，我们用类型别名定义一种函数类型：

using F = int(int*,int); // F是一个返回int，接受一个指向int类型的指针和一个int类型，F是一种函数类型
using PF = int(*) (int*, int); // PF是一个函数指针类型

下面我们来定义返回函数指针的函数：

PF f(int); // f是一个函数，它返回一个函数指针
F f(int); // 错误:F是一个函数类型
F* f(int); // OK

当然我们也可以直接定义f:

int (*f(int)) (int*,int);

由内向外观察：首先f有一个形参表(int)，所以f是一个函数，然后f的的左边有一个*，说明f返回的是一个指针。进一步发现，指针的类型本身也包含形参表，因此指针指向函数，该函数的返回类型是int。

我们还可以用C++11中的尾置返回类型来声明一个返回函数指针的函数：

auto f(int) -> int (*)(int*, int);

如果我们需要返回的函数类型有一个函数实例，那么我们可以用decltype来说明函数的类型：

int func(int*,int);
decltype(func)* f(int); 

注意上面代码中decltype(func)返回的是一个函数类型，我们需要在后面加上*，说明一个函数指针类型。

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