Общие сведения о функциях языка С

Теоретическая часть

Принципы программирования на языке С основаны на понятии функции. Например, к системным функциям относятся printf(), scanf(), gets(), putchar() и др. Функции – это строительные элементы языка С и то место, в котором выполняется вся работа программы [10.1].

Большие программы обычно состоят из нескольких пользовательских функций и ряда системных функций. Функция – самостоятельная единица программы. Функции повышают уровень модульности программы, облегчают ее чтение, внесение изменений и коррекцию ошибок.

В основе всех программ на языке программирования С лежат одни и те же фундаментальные элементы – функции [10.2]. В частности, функция main() является обязательной для любой программы. Во всех программах С определяется единая внешняя функция с именем main(), служащая точкой входа в программу, то есть первой функцией, выполняемой после запуска программы [10.3].

Ни одна программа в языке С не может обойтись без функций.

Функция в языке С играет ту же роль, что и подпрограммы или процедуры в других языках [10.4]. Каждая функция языка С имеет имя и список аргументов. По соглашению, принятому в языке С, при записи имени функции после него ставятся круглые скобки [10.4]. Это соглашение позволяет легко отличить имена переменных от имен функций.

Рассмотрим модельный пример программы, в которой, кроме функции main(), содержатся еще три функции [10.4].

#include <stdio.h>

int main(void)  /* Главная функция */
{  /* Начало тела функции */
function1(); /* вызов первой функции */
function2(); /* вызов второй функции */
function3(); /* вызов третьей функции */
} /* Конец тела функции main() */

/* Начало определения первой функции */
function1() { /* Начало тела первой функции */
/* Операторы первой функции */
/* Конец тела первой функции */
}
 
/* Начало определения второй функции */
function2()
{ /* Начало тела второй функции*/
/* Операторы второй функции */
/* Конец тела второй функции*/
}

/* Начало определения третьей функции */
function3()
{ /* Начало тела третьей функции*/
/* Операторы третьей функции */
/* Конец тела третьей функции*/
}

В условной (модельной) программе имеются четыре функции: main(), function1(), function2(), function3(). Эти функции не имеют аргументов. Позднее рассмотрим функции, которые имеют аргументы. Аргументы функции – это величины, которые передаются функции во время ее вызова. Аргумент, стоящий в операторе вызова функции, называется фактическим параметром. Аргументы, стоящие в заголовке функции, называются формальными параметрами. В языке С функция может возвращать значение в вызывающую программу посредством оператора return. Оператор возврата из функции в точку вызова имеет две формы [10.5]:

return;
return выражение;

В общем виде функция выглядит следующим образом [10.1]:

возвр-тип  имя-функции(список параметров)
{
Тело_функции
}

Тело_функции – это часть определения функции, ограниченная фигурными скобками и непосредственно размещенная вслед за заголовком функции. Тело функции может быть либо составным оператором, либо блоком [10.1]. В языке С определения функций не могут быть вложенными, т.е. внутри одной функции нельзя объявить и расписать тело другой функции.

Возвращаемый тип возвр-тип функции определяет тип данного, возвращаемого функцией. Например, это могут быть int, float, double и т.д. В случае, когда функция ничего не возвращает, ей присваивается тип void.

Функция может возвращать любой тип данных, за исключением массивов. Список параметров – это список, элементы которого отделяются друг от друга запятыми [10.1]. При вызове функции параметры принимают значения аргументов. Если функция без параметров, то такой пустой список можно указать в явном виде, поместив для этого внутри скобок ключевое слово void. Все параметры функции (входящие в список параметров) должны объявляться отдельно, причем для каждого из них надо указывать и тип, и имя. В общем виде список объявлений параметров должен выглядеть следующим образом [10.1]:

fun(тип имя_перем1, тип имя_перем2,..., тип имя_перем N)

Например:

fun(int i, int j, float k, char str1, char str2)

Рассмотрим пример программы с выводом сообщения не в главной функции main(), а в другой:

#include <stdio.h>
#include <conio.h>

void printMessage (void)
{
printf("\n\t hello, world\n");
return;
printf("\n\t 123\n");
}

int main(void)
{
printMessage();

printf("\n Press any key: ");
_getch();
return 0;
}

Результат выполнения программы показан на рис 10.1.

Программа состоит из двух функций: printMessage() и main(). Выполнение программы всегда начинается с функции main(), которую называют еще главной. Внутри функции main() происходит вызов функции printMessage() без параметров. Когда происходит вызов функции, выполнение программы передается непосредственно вызванной функции. Внутри функции printMessage() выполняется только утверждение

printf("\n\t hello, world\n");

Несмотря на то, что в функции printMessage() есть еще одно утверждение printf("\n\t 123\n"), которое не выполняется, поскольку используется утверждение возврата ( return ) из функции.

В языке С функция введена как один из производных типов.

Формальные параметры в определениях функций могут объявляться в форме прототипа [10.3]. Прототипы дают компилятору возможность тщательнее выполнять проверку типов аргументов [10.1]. Если используются прототипы, то компилятор может обнаружить любые сомнительные преобразования типов аргументов, необходимые при вызове функции, если тип ее параметров отличается от типов аргументов. Компилятор также обнаружит различия в количестве аргументов, использованных при вызове функции, и в количестве параметров функции.

В общем случае прототип функции должен выглядеть таким образом [10.1]:

тип имя_функции(тип имя_парам1, тип имя_парам2,..., тип им_парамN);

В приведенной выше программе прототип функции printMessage() не использовался, так как сама функция была объявлена до главной функции main(). Для переносимости С -кода в С ++ использование прототипа функции обязательно. Поэтому к хорошему стилю программирования относится использование прототипов функций, поскольку большие программы обычно состоят из нескольких функций, часто расположенных в различных файлах.

Вышеприведенная программа с использованием прототипа функции printMessage() будет выглядеть следующим образом:

#include <stdio.h>
#include <conio.h>

//void printMessage (void);//Прототип функции

int main(void) { 
void printMessage (void); //Прототип функции	
printMessage(); // Вызов функции 
printf("\n Press any key: ");
_getch();
return 0;
 }

// Определение функции
void printMessage (void)
{
printf("\n\t hello, world\n");
return;
printf("\n\t 123\n");
 }

В листинге программы показаны две возможности использования прототипа функции printMessage(). При этом, сама функция printMessage() объявлена после функции main().

Формальные параметры функции определены в прототипе функции. При обращении к функции используются фактические параметры, называемые аргументами функции.

Список фактических параметров – это список выражений, количество которых равно количеству формальных параметров функции (исключение составляют функции с переменным числом параметров). Соответствие между формальными и фактическими параметрами устанавливается по их взаимному расположению в списках. Между формальными и фактическими параметрами должно быть соответствие по типам.

Синтаксис языка С предусматривает только один способ передачи параметров – передачу по значениям. Это означает, что формальные параметры функции локализованы в ней, т.е. недоступны вне определения функции и никакие операции над формальными параметрами в теле функции не изменяют значений фактических параметров [10.4].

Передача параметров по значению предусматривает следующие шаги [10.4]:

Важным является момент, что объект вызывающей программы, использованный в качестве фактического параметра, не может быть изменен из тела функции. Для подобного изменения существует косвенная возможность изменять значения объектов вызывающей программы действиями в вызванной функции. Это становится возможным с помощью указателя (указателей), когда в вызываемую функцию передается адрес любого объекта из вызывающей программы. С помощью выполняемого в тексте функции разыменования указателя осуществляется доступ к адресуемому указателем объекту из вызывающей программы. Тем самым, не изменяя самого параметра (указатель-параметр постоянно содержит только адрес одного и того объекта), можно изменять объект вызывающей программы.

Массивы и строки также могут быть параметрами функции. В этом случае внутрь функции передается только адрес начала массива. Тогда можно в качестве параметра использовать указатель. Приведем два равноправных прототипа функций:

float fun(int n, float A[ ], float B[ ]);
float fun(int n, float *a, float *b);

Поскольку массив передается в функцию как указатель, внутри функции можно изменять значения элементов массива–фактического параметра, определенного в вызывающей программе. Это возможно и при использовании индексирования, и при разыменовании указателей на элементы массива.

В языке С существует возможность создавать функции, число аргументов которых не определено – функции с переменным числом аргументов [1]. При этом следует указать только количество аргументов. Пример прототипа функции с переменным числом аргументов:

int fun(int n, ј);

Многоточие (ј) в прототипе функции означает, что функция получает переменное число аргументов любого типа. Многоточие должно всегда находиться в конце списка параметров [1].

Макросы и определения заголовочного файла переменных аргументов stdarg.h (табл. 10.1) предоставляют программисту средства, необходимые для построения функций со списком аргументов переменной длины [1].

Примеры обращений к функции с фактическими аргументами:

double k;
double v1 = 1.5,      
       v2 = 2.5,       
       v3 = 3.5;
       // Первый вариант, где 3 – количество аргументов
       k = fun(3,v1, v2, v3);
  // Второй вариант, где 0.0 – завершающий нуль списка аргументов
  k = fun(v1, v2, v3, 0.0);

Практическая часть

Пример 1. Напишите программу сортировки по возрастанию заданного массива случайных чисел, равномерно распределенных в интервале [–6;6], с помощью вспомогательной функции.

Программный код решения примера:

#include <stdio.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX 10

// Прототип функции с формальными параметрами
void sort(double arr[], int n);

int main (void) {
	double M[MAX];
	int i, size = MAX;
	long int L;
	unsigned int some;
	L = (long) time(NULL);
	srand((unsigned)L);

	for (i = 0; i < MAX; ++i)
		M[i] = 12.0*rand()/RAND_MAX - 6.0;
	
	printf("\n\t The original array:\n");
	for (i = 0; i < MAX; ++i)
		printf("\t%8.4f\n", M[i]);

// Обращение к функции с фактическими параметрами
	sort(M, size);
// Распечатка отсортированного массива
	printf("\n\t After sorting: \n");
for (i = 0; i < MAX; ++i) printf("\t%8.4f\n", M[i]);
	printf("\n Press any key: ");
     _getch();
    return 0; }
// Вспомогательная функция сортировки 
void sort(double Array[], int m) {
int i, j;
double tmp;
for (i = 0; i < m-1; ++i)
   for (j = 0; j < m-i-1; ++j)
if (Array[j+1] < Array[j]) {
tmp = Array[j];
Array[j] = Array[j+1];
Array[j+1] = tmp;
}
}

Следует обратить внимание на имена формальных параметров в самой функции sort() и в ее прототипе: они имеют разные имена, но одинаковые типы. Фактические параметры или аргументы функции sort() в вызывающей программе (в теле функции main() ) имеют свои имена, не связанные с именами формальных параметров.

Заполнение массива случайными числами производится с помощью библиотечной функции rand() и макроопределения RAND_MAX. Для рандомизации массива случайных чисел при каждом новом запуске программы используется библиотечная функция srand(), аргументом которой является системное время, формируемое библиотечной функцией time().

Возможный результат выполнения программы показан на рис 10.2.

Задание 1

Пример 2. Напишите программу вычисления квадратного корня числа по методу Ньютона–Рафсона с использованием функции расчета квадратного корня числа и функции расчета абсолютного значения числа.

При вычислении квадратного корня из числа следует помнить, что подкоренное выражение не должно быть отрицательным.

Алгоритм метода Ньютона–Рафсона для вычисления квадратного корня числа:

Шаг 1. Выбрать приблизительное значение 1.

Шаг 2. Если |guess^2 – x| < e, перейти к шагу 4.

Шаг 3. Установить приблизительное значение, равное (x/guess + guess)/2, и перейти к шагу 2.

Шаг 4. Считать приблизительное значение квадратным корнем числа [7].

Программный код решения примера:

#include <stdio.h>
#include <conio.h>

// Функция абсолютного значения числа 
double absValue(double x)
{ 
	if (x < 0) x = -x;
	return (x);
}

// Функция расчета квадратного корня из числа
double squareRoot (double x) {
const double epsilon = 0.000001;
double guess = 1.0; //Начальное приближение

while (absValue(guess*guess - x) >= epsilon)
guess = (x/guess + guess)/2.0;

return (guess);
}

int main (void)
 {
	double result, X;

	printf("\n\t Enter a number: ");
	scanf_s("%lf", X);
		
// Обращение к функции с фактическим параметром	
	result = squareRoot(X);
printf("\n\t Square root of \"%1.4f\" is: %1.8f\n", X, result);
	
   printf("\n Press any key: ");
   _getch();
   return 0; 

}

В программе используются три функции: main(), absValue(), squareRoot().

Вспомогательные функции расположены в определенном порядке: сначала функция absValue(), а потом функция squareRoot(). В функцию absValue() передается значение guess, которое вычисляется в функции squareRoot(), находящейся в условии оператора цикла while. Когда условие для оператора цикла будет ложным, т.е. когда значение корня будет меньше заданного числа epsilon, то полученное значение возвращается в вызывающую функцию main().

В программе использована переменная epsilon, определенная с помощью спецификатора const, что делает переменную неизменной. При таком объявлении компилятор определяет ее как константное значение. Таким переменным нельзя присваивать значения в программе, нельзя их инкрементировать или декрементировать [10.2].

Возможный результат выполнения программы показан на рис 10.3.

Задание 2