第 14 講：函數(shù)
What is 函數(shù)？
學(xué)過數(shù)學(xué)的人都知道，數(shù)學(xué)有一種函數(shù)表示方法，叫 ?的東西，其中等號右邊應(yīng)當(dāng)填入一個表達(dá)式（expression）。
C 語言和數(shù)學(xué)的函數(shù)差不太多，不過 C 語言是為編程服務(wù)的，所以 C 語言可能還會廣義化數(shù)學(xué)上的函數(shù)。C 語言里，函數(shù)其實是“一個過程”，這個“過程”下會執(zhí)行一系列的操作，比如輸入輸出、循環(huán)等等。不過和數(shù)學(xué)相同的地方是，C 語言函數(shù)在執(zhí)行完畢這一系列語句時，會有一個函數(shù)值（返回值），這個值就是這個“過程”最后的執(zhí)行結(jié)果。比如說 f(x) = x^2 + 2x + 3 的式子，我們可以這么去寫C語言。
int main(void) 前，還有一段代碼獨立于它而存在。它寫成 int f(int x)，而里面只有一句話，是用類似于 main 里的 return 0; 差不太多的寫法，也用了 return
因為它和數(shù)學(xué)不同，定義域和值域不像數(shù)學(xué)那樣，實數(shù)范圍包含整數(shù)和小數(shù)，人可以靈活處理，電腦不能，所以電腦的定義域內(nèi)整數(shù)和小數(shù)是區(qū)分開的，因此必定要為變量名和函數(shù)值先定下一個取值范圍，再來寫操作。定義定義域和值域時，即寫出操作過程之中，定義域的取值范圍（我們一般用整數(shù)，所以 int 足夠了）；而值域，即函數(shù)值，一定根據(jù)剛才的計算公式，得到的是也應(yīng)是 int，所以還是 int。所以，分別寫在對應(yīng)位置上。
然后你對照這個寫法和剛才 f(x) = x^2 + 2x + 3，你就會發(fā)現(xiàn)，其實 return 語句下就寫的是這個表達(dá)式。這是因為，return 語句專門用于獲取函數(shù)的函數(shù)值（返回值）。因為這個數(shù)學(xué)函數(shù)在編程里面肯定只有這樣一個操作（得到數(shù)值結(jié)果），所以在 C 語言里，f 函數(shù)里只有 return 這一句話。
然后在 main 里，我們要使用這個函數(shù)功能的話，就可以這么寫。
f 函數(shù)了，但是因為那個函數(shù)最后是一個結(jié)果，所以我們可以直接當(dāng)成一個數(shù)來寫進(jìn)printf 之中，輸出這個數(shù)。我們想要把這個手動輸入的i當(dāng)成自變量放進(jìn) f
這樣要好理解一些，不過其實都一樣。
當(dāng)然，我們可以這么去想這個問題：輸入一個值，然后得到 ?f(x) 函數(shù)值，然后輸出結(jié)果。這樣的三個部分的操作，都可以同時丟進(jìn) C 語言的這個 f 函數(shù)之中。數(shù)學(xué)就不可以，C 語言就可以，而這就是因為，C 語言里的函數(shù)是執(zhí)行一系列的操作，不一定只求一個值就完了，不過，這樣執(zhí)行輸入輸出了，也就不必再去糾結(jié)它程序結(jié)果的函數(shù)值了（因為結(jié)果已經(jīng)輸出了，根本就不需要再單獨給這個程序一個函數(shù)值），這樣的“只執(zhí)行一系列語句”的函數(shù)，我們可以為值域部分寫上 void 一詞（void 一詞就是空白、沒有的意思）。
看看這個程序和之前的程序，不同之處有三個：第一是 int f(int x) 改變?yōu)榱?void f()；第二是最后末尾的 return 語句什么結(jié)果都沒有，只是一個單獨的 return 單詞；第三是 main 之中，使用 f s函數(shù)時的寫法，括號是空的，啥都沒有，然后就直接分號結(jié)尾了。
至于第一點，是因為我們剛才說到，它執(zhí)行的是一系列的操作，而結(jié)果已經(jīng)在中間輸出過了，所以不需要對末尾再寫出函數(shù)值，所以為這種函數(shù)用 void。至于括號里面為啥也沒有數(shù)值了呢？因為括號不需要數(shù)值了，因為輸入的數(shù)據(jù)值已經(jīng)在函數(shù)里面體現(xiàn)了，何必非要寫在上面括號里面去呢，這個函數(shù)功能根本就不需要用到這個 x 了，所以為了表示它是函數(shù)，就只有一個空的括號而已；
第二點是因為，函數(shù)既然沒有函數(shù)值結(jié)果了，但因為要結(jié)束這個函數(shù)，所以需要 return 作為結(jié)尾，表示函數(shù)執(zhí)行完畢。當(dāng)然了，這種末尾直接結(jié)束的函數(shù)，是可以不寫這個 return; 語句的。但如果你想中途結(jié)束程序，就必須加上這句話，來表示在某個中間執(zhí)行結(jié)果下就結(jié)束這個函數(shù)的運行；
第三點是因為，剛才我們是當(dāng) f 函數(shù)是一個數(shù)值來處理的。但是現(xiàn)在 f 函數(shù)只是一個執(zhí)行輸入、求結(jié)果和輸出三個操作的過程，所以要使用它直接寫上去就可以了。
參數(shù)的定義
在 C 語言之中，我們稱函數(shù)使用的小括號內(nèi)的變量（可以有一個，也可以有很多個）叫參數(shù)。這一點來說，它和數(shù)學(xué)不太一樣，數(shù)學(xué)里的參數(shù)往往指的是函數(shù)表達(dá)式里不同于自變量的數(shù)值（如 ?之中的字母
a、b、c）。
這里要提兩個定義，考試要考的：
形參（Parameter）：函數(shù)的第一句話里，小括號內(nèi)的變量；
實參（Argument）：函數(shù)內(nèi)使用形參的這些變量。
理解也很好理解。
小括號里寫 void？
最后需要你注意的是，在小括號里也要寫 void，這是為什么呢？
如果我們知道這個函數(shù)不應(yīng)該有參數(shù)，那么就在小括號里寫上 void 關(guān)鍵字來告訴編譯器，這個函數(shù)不需要任何參數(shù)。如果你不寫它，往往程序也可以正常執(zhí)行，但少見有些情況會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出的問題和 bug，導(dǎo)致很嚴(yán)重的錯誤。
所以為了安全起見，我們習(xí)慣在不需要參數(shù)的函數(shù)里，小括號里添加 void 關(guān)鍵字。
main 函數(shù)剖析
main 究竟是什么東西
我們經(jīng)常聽到老師提起“main 函數(shù)”這個說法。它其實也是一個函數(shù)。理解起來也很容易：因為它執(zhí)行的是一系列的操作。不過它更為特殊一些：所有 C 語言程序都需要從 main 的第一句開始執(zhí)行。注意哈，這里說的是“執(zhí)行”，后面會告訴大家，編譯（從 C 語言翻譯為機器識別的二進(jìn)制代碼串的過程）則是從最上面第一句開始的，跟 main 無關(guān)。
main 的返回值
那么，為什么 main 它也有函數(shù)值？main 有函數(shù)值的原因在于，為了大家方便查 bug 才搞的機制。讓程序完整無誤不出錯地走一遍，默認(rèn)為 0，表示沒錯；但如果中途出現(xiàn)某種錯誤了，比如沒有賦值就使用變量啊這種，就會報錯，這個時候程序會直接終止 main，而不是調(diào)過錯誤的語句繼續(xù)往下走。這個時候，終止了 main 必然會直接得到返回值（函數(shù)值），這個時候為了方便查錯，我們就把這樣可以導(dǎo)致同一類出錯情況的返回值給它規(guī)定成同一個返回值（函數(shù)值），這樣開發(fā)人員就不會很頭痛，從頭開始找錯。
你需要記住一點，DevCpp 軟件在沒有為變量賦值時就使用變量時，
main的函數(shù)值為 3221225477。
main 的參數(shù)
另外，main 函數(shù)里有時候有一坨東西，有時候又沒有，是什么情況。
int main();int main(int argc, char *argv[]);
我們經(jīng)?？吹竭@兩種寫法。第一種表示 main 沒有參數(shù)；第二種則是有兩個參數(shù)。這兩個參數(shù)是什么呢？其實，這兩個參數(shù)指的是你在使用 cmd 命令行對程序操作時，產(chǎn)生的參數(shù)。
比如我們在使用 Linux 下的命令：rm（remove）命令時，總會在網(wǎng)上看到資料說：
或者
有時候還可以省略這個星號。先不管是什么東西。我們來說明一下。
rm 是這個命令的名字（它實際上是一個程序名，功能是刪除文件），而我們習(xí)慣性寫上的 -rf 參數(shù)，其實是刪除文件需要的參數(shù)。-rf 表示遞歸刪除文件，且不保留痕跡。所以這里的 -rf 其實就是在執(zhí)行這個 rm 程序在進(jìn)入 main 里的參數(shù)，-rf 是第二個參數(shù)的數(shù)值。
為了達(dá)到程序執(zhí)行的功能，有些時候會在調(diào)用程序和進(jìn)入 main 前就要傳遞一系列的參數(shù)進(jìn)去。這個時候我們可以為 main 設(shè)定這兩個參數(shù)，就可以達(dá)到效果；第一個參數(shù)表明在執(zhí)行命令行時，參數(shù)的個數(shù)；第二個則是參數(shù)的具體寫法。目前你知道這個用途就可以了，因為參數(shù)的后者 char *argv[] 是一個字符串?dāng)?shù)組，這一點在這里闡述是超綱的，所以不在這里敘述。
函數(shù)的定義
聲明格式
當(dāng)函數(shù)放在 main 下的時候，在編譯時，因為 main 會從上到下執(zhí)行語句，但執(zhí)行過程之中，發(fā)現(xiàn)有些東西沒有聲明，自然就不能用。比如這樣：
printf 時，發(fā)現(xiàn) f 是前文里沒有看到過的函數(shù)，這個時候就會給出警告。所以函數(shù)的聲明就需要放在執(zhí)行 main 前面（即 #include 命令和 int main(void)
甚至可以寫在執(zhí)行語句前一句處：
都可以。
聲明函數(shù)的原理
從原理上講，函數(shù)的聲明是什么東西呢？C 語言是一種面向過程的編程語言（Process Oriented Programming，簡稱 POP），這種編程語言就是按照流程一步一步執(zhí)行即可，無需考慮其它因素。但為了代碼書寫的方便，C 語言為我們提供了兩種可定義和聲明的元素：變量（含數(shù)組變量以及后面要說到的指針變量）和函數(shù)。變量和函數(shù)的相似之處就是都需要定義出來才能使用（即先定義后使用）。像是 C 語言這樣，如果我們嘗試把其它的函數(shù)寫在 main 之后，按照順次執(zhí)行，就會遇到無法解析的函數(shù)名稱，于是我們肯定需要聲明（也叫定義）這個函數(shù)了。
那么，聲明格式和函數(shù)名一致，是為了保證簡單易懂。把函數(shù)名寫在中間，左邊寫返回值，右邊寫參數(shù)，并用小括號把所有參數(shù)括起來，這樣便是一個完整的函數(shù)變量的定義。所以實際上，從這個角度出發(fā)，函數(shù)也可以被視作一種特殊的變量類型。不過它和普通變量不同的是，它往往寫在最外面（全局范圍），一般不寫在函數(shù)執(zhí)行邏輯里，是因為這樣書寫，就不好看到它們。
函數(shù)內(nèi)的變量
變量的生命周期和函數(shù)的銷毀
變量分為多種：外部變量、內(nèi)部變量（函數(shù)內(nèi)變量）等。它們各自有不同用途，所以會被放在不同的位置。不過，要知道，它們的生命周期也不同。
變量會在函數(shù)用完時被銷毀，main 也是一樣。如果程序執(zhí)行完畢時，即 main 也執(zhí)行完畢，里面的所有變量都會直接蒸發(fā)，變得不存在。其他函數(shù)也是。所以我們來看這個函數(shù)：
很顯然，這個寫法是交換兩個數(shù)據(jù)用的。但是函數(shù)在執(zhí)行完后，變量就會不復(fù)存在。所以交換完后，變量就會消失，使得交換之后的結(jié)果也不能繼續(xù)使用。所以，換句話說：
輸出語句其實是沒有任何變化的，即兩處 printf 函數(shù)的輸出結(jié)果都是 a = 2、b = 3。這一點要引起額外注意。這是因為，在執(zhí)行交換函數(shù) swap 后，它僅交換了在 swap 函數(shù)里的 a 和 b 變量，而并沒有對 main 函數(shù)里的 a 和 b 作出任何影響，因為函數(shù)傳遞數(shù)值的模式是值傳遞，即只會把數(shù)值內(nèi)容復(fù)制一份然后丟到 swap 里來用，所以實際上它交換的其實是復(fù)制后的副本，而真正的元素卻沒有發(fā)生改變。在交換后，函數(shù)被銷毀，交換的副本也被同時銷毀，所以原本的變量根本就沒有發(fā)生任何的變化。
另外，如果把變量寫在函數(shù)外部的話，這樣的變量在程序 main 執(zhí)行的過程之中，只要 main 沒有銷毀（程序沒有結(jié)束），變量就會一直存在。
最后，還有一個冷門的知識點。
大括號封閉變量
雖然是同一個變量名字，但變量不同，并且有一個變量是用大括號括起來的，雖然這個大括號看起來好像不知道到底是什么用途。這里的大括號只有一個用：封閉變量。這個大括號內(nèi)部的變量外部是無法使用的，而內(nèi)部的輸出語句也只是會找到最近的變量名作輸出。所以就是 2 了；而外部的輸出語句輸出的 a，由于大括號封閉變量的關(guān)系，內(nèi)部的 2 完全不可能被外部的這個輸出語句的 a看到，所以根本不可能是 2，所以是相對于這個內(nèi)部的 a 外面的這個 4。
這告訴了我們，之前用于分割語義的大括號，它的原理到底是如何的。
一些修飾函數(shù)內(nèi)成員和參數(shù)的修飾符
static 修飾符
在函數(shù)里對一些普通變量修飾 static 修飾符，可以讓程序在反復(fù)調(diào)用這個函數(shù)時，這個變量都只會初始化一次，后續(xù)都直接用這個變量，而且函數(shù)被銷毀的時候，這個變量也不會被同時銷毀。
如果調(diào)用這個函數(shù)的話：
那么，首次 z 會被初始化為 10，隨后執(zhí)行 z += 3 使之變?yōu)?13，然后返回 13 + i。每一次 i 傳入的數(shù)值都不同，第一次是 0，第二次是 1，第三次是 2；而使用 f 函數(shù)時，z 第一次是 10（后自增 3，變?yōu)?13），第二次是 16，第三次則是 19。所以三次的輸出結(jié)果是 13 17 21。
auto 修飾符
實際上，所有在函數(shù)里聲明的變量，都是 auto 的，也就是說，你不寫它們，都會被默認(rèn)添加這個修飾符。這種修飾符表示這個變量在棧內(nèi)存進(jìn)行分配。所謂的棧內(nèi)存分配，就是跟著函數(shù)走。函數(shù)死亡，它就死亡，你就無法再使用里面的資源了。
如果你不想讓它消失，請在函數(shù)里對這個變量使用 static 修飾符，表示它不跟著函數(shù)銷毀而銷毀。
register 修飾符
這個修飾符雖然現(xiàn)在說還為時尚早，但這個修飾符并不需要任何的語法依托。它表示這個變量將在執(zhí)行期間直接丟到寄存器里。這個操作就為了一個字：快。我們都知道，程序的分配的變量都是在內(nèi)存里的，而執(zhí)行這些程序，還是得被提取出來，丟進(jìn) CPU 里挨著執(zhí)行它們。如果我們最初就把它們丟進(jìn)了寄存器里，由于寄存器就在 CPU 里，所以這樣執(zhí)行起來，就會比其它變量算得更快。所以，我們?nèi)绻堑每紤]性能的話，我們會把常用的簡單類型變量直接丟進(jìn)寄存器里，方式就是添加 register 修飾符在定義語句之前就可以了。
