指针函数和函数指针

简介: 指针函数和函数指针

概述

指针函数和函数指针是C语言里两个比较绕的概念。但是不仅面试题爱考,实际应用中也比较广泛。很多人因为搞不清这两个概念,干脆就避而远之,我刚接触C语言的时候对这两个概念也比较模糊,特别是当指针函数、函数指针、函数指针变量、函数指针数组放在一块的时候,能把强迫症的人活活逼疯。

其实如果理解了这些概念的本质,是不需要死记硬背的,理解起来也比较容易。

指针函数

指针函数: 顾名思义,它的本质是一个函数,不过它的返回值是一个指针。其声明的形式如下所示:

ret *func(args, ...);

其中,func是一个函数,args是形参列表,ret *作为一个整体,是 func函数的返回值,是一个指针的形式。

下面举一个具体的实例来做说明:

文件:pointer_func.c

# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
int * func_sum(int n)
{
    if (n < 0)
    {
        printf("error:n must be > 0\n");
        exit(-1);
    }
    static int sum = 0;
    int *p = &sum;
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        sum += i;
    }
    return p;
}
int main(void)
{
    int num = 0;
    printf("please input one number:");
    scanf("%d", &num);
    int *p = func_sum(num); 
    printf("sum:%d\n", *p);
    return 0;
}

上例就是一个指针函数的例子,其中,int * func_sum(int n)就是一个指针函数, 其功能十分简单,是根据传入的参数n,来计算从0到n的所有自然数的和,其结果通过指针的形式返回给调用方。

以上代码的运行结果如下所示:

如果上述代码使用普通的局部变量来实现,也是可以的,如下所示:

文件:pointer_func2.c

# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
int func_sum2(int n)
{   
    if (n < 0)
    {   
        printf("error:n must be > 0\n");
        exit(-1);
    }
    int sum = 0;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < n; i++)
    {   
        sum += i;
    }
    return sum;
}
int main(void)
{
    int num = 0;
    printf("please input one number:");
    scanf("%d", &num);
    int ret = func_sum2(num);
    printf("sum2:%d\n", ret);
    return 0;
}

本案例中,func_sum2函数的功能与指针函数所实现的功能完全一样。

不过在使用指针函数时,需要注意一点,相信细心地读者已经发现了,对比func_sumfunc_sum2函数,除了返回值不一样之外,还有一个不同的地方在于,在func_sum中,变量sum使用的是静态局部变量,而func_sum2函数中,变量sum使用的则是普通的变量。

如果我们把指针函数的sum定义为普通的局部变量,会是什么结果呢?不妨来试验一下:

文件:pointer_func3.c

# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
int * func_sum(int n)
{
    if (n < 0)
    {
        printf("error:n must be > 0\n");
        exit(-1);
    }
    int sum = 0;
    int *p = &sum;
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        sum += i;
    }
    return p;
}
int main(void)
{
    int num = 0;
    printf("please input one number:");
    scanf("%d", &num);
    int *p = func_sum(num); 
    printf("sum:%d\n", *p);
    return 0;
}

执行以上程序,发现仍然能得到正确的结果:

可是如果我们把main函数里面稍微改动一下:

int main(void)
{
    int num = 0;
    printf("please input one number:");
    scanf("%d", &num);
    int *p = func_sum(num);
    printf("wait for a while...\n");    //此处加一句打印
    printf("sum:%d\n", *p);
    return 0;
}

我们在输出sum之前打印一句话,这时看到得到的结果完全不是我们预先想象的样子,得到的并不是我们想要的答案。

为什么会出现上面的结果呢?

其实原因在于,一般的局部变量是存放于栈区的,当函数结束,栈区的变量就会释放掉,如果我们在函数内部定义一个变量,在使用一个指针去指向这个变量,当函数调用结束时,这个变量的空间就已经被释放,这时就算返回了该地址的指针,也不一定会得到正确的值。上面的示例中,在返回该指针后,立即访问,的确是得到了正确的结果,但这只是十分巧合的情况,如果我们等待一会儿再去访问该地址,很有可能该地址已经被其他的变量所占用,这时候得到的就不是我们想要的结果。甚至更严重的是,如果因此访问到了不可访问的内容,很有可能造成段错误等程序崩溃的情况。

因此,在使用指针函数的时候,一定要避免出现返回局部变量指针的情况。

那么为什么用了static就可以避免这个问题呢?

原因是一旦使用了static去修饰变量,那么该变量就变成了静态变量。而静态变量是存放在数据段的,它的生命周期存在于整个程序运行期间,只要程序没有结束,该变量就会一直存在,所以该指针就能一直访问到该变量。

因此,还有一种解决方案是使用全局变量,因为全局变量也是放在数据段的,但是并不推荐使用全局变量。

函数指针

与指针函数不同,函数指针 的本质是一个指针,该指针的地址指向了一个函数,所以它是指向函数的指针。

我们知道,函数的定义是存在于代码段,因此,每个函数在代码段中,也有着自己的入口地址,函数指针就是指向代码段中函数入口地址的指针。

其声明形式如下所示:

ret (*p)(args, ...);

其中,ret为返回值,*p作为一个整体,代表的是指向该函数的指针,args为形参列表。其中p被称为函数指针变量

关于函数指针的初始化

与数组类似,在数组中,数组名即代表着该数组的首地址,函数也是一样,函数名即是该数组的入口地址,因此,函数名就是该函数的函数指针。

因此,我们可以采用如下的初始化方式:

函数指针变量 =  函数名;

下面还是以一个简单的例子来具体说明一下函数指针的应用:

文件:func_pointer.c

#include <stdio.h>
int max(int a, int b)
{
    return a > b ? a : b;
}
int main(void)
{
    int (*p)(int, int); //函数指针的定义
    //int (*p)();       //函数指针的另一种定义方式,不过不建议使用
    //int (*p)(int a, int b);   //也可以使用这种方式定义函数指针
    p = max;    //函数指针初始化
    int ret = p(10, 15);    //函数指针的调用
    //int ret = (*max)(10,15);
    //int ret = (*p)(10,15);
    //以上两种写法与第一种写法是等价的,不过建议使用第一种方式
    printf("max = %d \n", ret);
    return 0;
}

上面这个函数的功能也十分简单,就是求两个数中较大的一个数。值得注意的是通过函数指针调用的方式。

首先代码里提供了3种函数指针定义的方式,这三种方式都是正确的,比较推荐第一种和第三种定义方式。然后对函数指针进行初始化,前面已经提到过了,直接将函数名赋值给函数指针变量名即可。

上述代码运行的结果如下:

调用的时候,既可以直接使用函数指针调用,也可以通过函数指针所指向的值去调用。(*p)所代表的就是函数指针所指向的值,也就是函数本身,这样调用自然不会有问题。有兴趣的同学可以去试一试。

为什么要使用函数指针?

那么,有不少人就觉得,本来很简单的函数调用,搞那么复杂干什么?其实在这样比较简单的代码实现中不容易看出来,当项目比较大,代码变得复杂了以后,函数指针就体现出了其优越性。

举个例子,如果我们要实现数组的排序,我们知道,常用的数组排序方法有很多种,比如快排,插入排序,冒泡排序,选择排序等,如果不管内部实现,你会发现,除了函数名不一样之外,返回值,包括函数入参都是相同的,这时候如果要调用不同的排序方法,就可以使用指针函数来实现,我们只需要修改函数指针初始化的地方,而不需要去修改每个调用的地方(特别是当调用特别频繁的时候)。

回调函数

函数指针的一个非常典型的应用就是回调函数

什么是回调函数?

回调函数就是一个通过指针函数调用的函数。其将函数指针作为一个参数,传递给另一个函数。

回调函数并不是由实现方直接调用,而是在特定的事件或条件发生时由另外一方来调用的。

同样我们来看一个回调函数的例子:

文件:callback.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
//函数功能:实现累加求和
int func_sum(int n)
{
        int sum = 0;
        if (n < 0)
        {
                printf("n must be > 0\n");
                exit(-1);
        }
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
                sum += i;
        }
        return sum;
}
//这个函数是回调函数,其中第二个参数为一个函数指针,通过该函数指针来调用求和函数,并把结果返回给主调函数
int callback(int n, int (*p)(int))
{
        return p(n);
}
int main(void)
{
        int n = 0;
        printf("please input number:");
        scanf("%d", &n);
        printf("the sum from 0 to %d is %d\n", n, callback(n, func_sum));       //此处直接调用回调函数,而不是直接调用func_sum函数
        return 0;
}

上面这个简单的demo就是一个比较典型的回调函数的例子。在这个程序中,回调函数callback无需关心func_sum是怎么实现的,只需要去调用即可。

这样的好处就是,如果以后对求和函数有优化,比如新写了个func_sum2函数的实现,我们只需要在调用回调函数的地方将函数指针指向func_sum2即可,而无需去修改callback函数内部。

以上代码的输出结果如下:

回调函数广泛用于开发场景中,比如信号函数、线程函数等,都使用到了回调函数的知识。

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