Указатели и функции в языке программирования С

Теоретическая часть

В предыдущей лабораторной работе рассматривались примеры функций, аргументами которых выступали указатели. В данной лабораторной работе подробнее будут рассмотрены вопросы, касающиеся указателей и функций.

Ранее было отмечено, что в языке С аргументы передаются в функции по значению и не существует прямого способа изменить переменную вызывающей функции, действуя внутри вызываемой функции. Благодаря аргументам-указателям функция может обращаться к объектам в вызвавшей ее функции, в том числе модифицировать их [11.1]. В качестве примера рассмотрим функцию swap(), в задачу которой входит обмен элементов местами. Для решения такой задачи необходимо передать из вызывающей программы (например, из главной функции main() ) в функцию указатели на переменные, которые нужно изменить. Программный код решения примера:

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

// Прототип функции
void swap(int*, int*);

int main (void) {
	int a = 10,
		b = -20;
	
    // Вывод на консоль исходных значений переменных
    printf("\n Initial values:\n a = %d, b = %d\n", a, b);
    
    // Вызов функции swap() с фактическими параметрами
     swap(a, b);
    
    // Результат после обращения функции swap()
     printf("\n New values:\n a = %d, b = %d\n", a, b);

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

// Определение функции
void swap(int *pa, int *pb)
{
int temp;
temp = *pa;
*pa = *pb;
*pb = temp;
}

В программе в качестве фактических параметров функции swap() выступают адреса заданных переменных. Можно было в главной функции определить указатели и инициализировать их адресами заданных переменных, а потом передать эти указатели в функцию swap.

Результат выполнения программы показан нa рис 11.1.

Указатели, передаваемые в функцию, могут быть указателями на указатели. Указатели могут указывать на начало какого-либо массива и т. д. Указатели могут использоваться для защиты массивов, над которыми необходимо произвести некоторые вычисления или преобразования.

Особым свойством указателей можно считать возможность использовать их в качестве возвращаемых значений функций. Поскольку функции возвращают только одно значение, то несколько значений одного типа можно поместить в массив, а затем указатель на этот массив использовать в качестве возвращаемого значения.

Общая форма определения функции, которая возвращает указатель, следующая:

тип  *имя_функции ( аргументы функции ) 
{
// тело функции

тип *имя_указателя;
?

return  имя_указателя;
}

Рассмотрим пример, в котором осуществляется сложение двух одномерных массивов и результат возвращается через указатель.

Программный код решения примера:

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

int *out2(int A[], int B[], int);

int main (void) {
	int i, n;
	int A[] = {1,2,3,4,5};
	int B[] = {2,2,2,2,2};
	int *ptrAB = NULL;

	n = (sizeof(A)/sizeof(A[0]));

	puts("\n The initial arrays: ");
	for (i = 0; i < n; i++)
		printf(" %d", A[i]);
	
     puts("");
	for (i = 0; i < n; i++)
		printf(" %d", B[i]);

	ptrAB = out2(A, B, n);
	puts("\n\n Result from function: ");
	for (i = 0; i < n; i++)
		printf(" %d", ptrAB[i]);

	puts("\n\n Control of the arrays: ");
	for (i = 0; i < n; i++)
		printf(" %d", A[i]);
	
     puts("");
	for (i = 0; i < n; i++)
		printf(" %d", B[i]);

     free(ptrAB); // освобождение выделенной памяти

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

int *out2(int A[], int B[], int n)
{
     int i;
int *ptr = (int *)calloc(n, sizeof(int)); //выделение памяти

     for (i = 0; i < n; i++)
     ptr[i] = A[i] + B[i];

     return ptr;
}

Программа не требует особых пояснений.

Следует отметить, что никогда не следует возвращать адрес переменной, определенной в теле функции, так как переменные функции являются локальными, и они существуют только во время работы функции.

Указатели возвращаются подобно значениям любых других типов данных. Чтобы вернуть указатель, функция должна объявить его тип в качестве типа возвращаемого значения. Таким образом, если функция возвращает указатель, то значение, используемое в ее инструкции return, также должно быть указателем. В частности, многие библиотечные функции, предназначенные для обработки строк, возвращают указатели на символы.

В языке С существует такой механизм как указатель на функцию. Допустим, существует несколько функций для различных операций с данными. В этом случае оказывается удобным определить указатель на функцию, и использовать его там, где требуется производить расчет для различных функций.

Указатель на функцию – это переменная, содержащая адрес в памяти, по которому расположена функция [11.2]. Имя функции – это адрес начала программного кода функции. Указатели на функции могут быть переданы функциям в качестве аргументов, могут возвращаться функциями, сохраняться в массивах и присваиваться другим указателям на функции [11.2].

Типичное определение указателя на функцию следующее:

тип_возвращаемый_функцией(*имя_указателя_на_функцию)(аргументы);

В приведенном объявлении используются круглые скобки, в которых собственно и определяется указатель на функцию, которая возвращает тот или иной тип – тип_возвращаемый_функцией. Хотя знак * обозначает префиксную операцию, он имеет более низкий приоритет, чем функциональные круглые функции, поэтому для правильного комбинирования частей объявления необходимы еще и дополнительные скобки [11.1]. При этом аргументы – это аргументы той или иной функции с заданным типом возвращаемого значения, и на которую ссылается указатель *имя_указателя_на_функцию. Очевидно, что возможны сложные объявлений функций.

Указатели на функции часто используются в системах, управляемых меню [11.2]. Пользователь выбирает команду меню (одну из нескольких). Каждая команда обслуживается своей функцией. Указатели на каждую функцию находятся в массиве указателей. Выбор пользователя служит индексом, по которому из массива выбирается указатель на нужную функцию.

Другим типичным применением указателей на функции являются реализация обобщенных алгоритмов, например, алгоритмов сортировки и поиска. В этом случае критерии сортировки и поиска реализуются в виде отдельных функций и передаются при помощи указателей на функции в качестве параметра реализации основного алгоритма.

Практическая часть

Пример 1. Напишите программу с функцией пузырьковой сортировки, использующей вызов по ссылке.

В условии примера "вызов по ссылке" означает, что в качестве фактических параметров функций будут использоваться адреса переменных. И в этом случае прототип таких функций будет содержать указатели на соответствующие типы.

Программный код решения примера:

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

// Прототип функции
void bsort (int* const, const int);

int main (void) 
{
	int A[] = {56, 34, 2, 0, 1, -21, 6, 8, 7};
	int i, n;
     
    //Размерность массива
	n = sizeof(A)/sizeof(A[0]);

	puts("\n Data items in original order:");

	for (i = 0; i < n; i++)
		printf(" %3d", A[i]);

	// Вызов функции сортировки - bsort()
	bsort (A, n);

      puts("\n\n Data items in ascending order:");
	for (i = 0; i < n; i++)
      printf(" %3d", A[i]);
		

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

// Определение функции
void swap(int *pa, int *pb)
{
int temp;
temp = *pa;
*pa = *pb;
*pb = temp;
}


void bsort (int *const arr, const int size)
{
int pass, //счетчик проходов
       j; // счетчик сравнений
// Прототип функции обмена - swap()
void swap (int*, int*);

// Цикл для контроля проходов
for (pass = 0; pass < size - 1; pass++ ) 
{
	// цикл для контроля сравнений на данном проходе
	for (j = 0; j < size - 1; j++)
	{
	
     // обмен значений при нарушении порядка возрастания
		if (arr[j] > arr[j + 1])
		{
		swap(arr[j], arr[j+1]);
		}
		
	}
}

}

В программе функция сортировки bsort() в качестве формального параметра используется константный указатель, который указывает на первый элемент заданного массива. Второй формальный параметр также константный, чтобы подчеркнуть неизменность этого параметра в теле функции bsort(). Передача функции размера массива в качестве параметра имеет два преимущества – это хороший стиль программирования и, кроме того, такую функцию можно использовать многократно.

Прототип функции swap() включен в тело функции bsort(), потому что это единственная функция, которая вызывает функцию обмена swap().

Пример выполнения программы показан на рис 11.2.

Задание 1

Пример 2. Напишите программу, в которой используется функция по расчету среднего значения (среднего арифметического) одномерного числового массива, его исправленной выборочной дисперсии и среднего квадратичного отклонения (стандартного отклонения). Эти значения должны быть выведены на консоль в главной функции программы main()

Приведем формулы, по которым рассчитываются среднее значение выборки, исправленная выборочная дисперсия и среднеквадратичное отклонение.

Среднее выборочное значение одномерного массива размерностью N

где – элементы массива.

Исправленная выборочная дисперсия одномерного массива размерностью N

где mean – среднее значение данного массива

Исправленное среднеквадратичное отклонение S

где D – дисперсия данного массива.

Программный код решения примера:

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

// Прототип функции
double *mean_D_S(int arr[], int n);

int main(void)
{
	int mass[] = {2, -3, 5, 6, 7, 8, 9,-1};
	int i, n;
	double *R;
	n = sizeof(mass)/sizeof(mass[0]);
	puts("\n\t Initial array:");
	for (i = 0; i < n; i++)
		printf(" %3d", mass[i]);

     // Вызов функции 
     R = mean_D_S(mass, n);

// Вывод расчтных характеристик массива
printf("\n\n The average value of an array: %g\n", R[0]);
printf(" The dispersion of the array: %g\n", R[1]);
printf(" The standard deviation of the array: %g\n", R[2]);

// Освобождение памяти
     free(R);

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

// Определение функции
double *mean_D_S(int arr[], int N)
{
int j;
double *PTR3 = (double *)calloc(N, sizeof(double));
double mean, D, S;

mean = 0.0;
for (j = 0; j < N; j++)
mean += arr[j];

mean /= N;

D = 0.0;
for (j = 0; j < N; j++)
D += (arr[j] - mean)*(arr[j] - mean);

D /= (N-1);

S = sqrt(D);

PTR3[0] = mean;
PTR3[1] = D;
PTR3[2] = S;

return PTR3;

}

В программе используется функция динамического распределения памяти calloc(), которая выделенные ячейки памяти обнуляет. Расчетные характеристики одномерного массива размещаются последовательно друг за другом в выделенной памяти для указателя *PTR3. Сформированный указатель функция возвращает в точку вызова функции mean_D_S().

Результат выполнения программы показан на рис 11.3.