第8讲——函数探幽

Posted 2020-10-03 GGBeng

前面的笔记都是行云流水，因为前面几章看过了，从这一讲开始，每一讲都是现学现做笔记的。

 

没人是天生的赢家，只有后天的loser。

 

由上一讲中的知识，我们了解到许多有关C++函数的知识，但需要学习的知识还很多。C++还提供许多新的函数特性，使之有别于C语言。

新特性包括内联函数、按引用传递变量、默认的参数值、函数重载（多态）以及模板函数。

这一讲中，我们将介绍C++在C语言基础上新增的特性，比前面各讲都多，这是我们进入（++）领域的重要一步。

 

【内联函数】

这是为提高程序运行速度所做的一项改进。

内联函数与常规函数的主要区别不在于编写方式，而在于C++编译器如何将它们组合到程序中。

要了解内联函数与常规函数之间的区别，必须深入到程序内部。

我们知道编译过程的最终产品是可执行程序——由一组机器语言指令组成。运行程序时，操作系统将这些指令载入到计算机内存中，因此每条指令都有特定的内存地址。计算机随后将逐步执行这些指令。有时（如有循环或分支语句时），将跳过一些指令，向前或向后跳到特定地址。常规函数调用也使程序调到另一个地址（函数的地址），并在函数结束时返回。

下面更详细地介绍这一过程的典型实现。

执行到函数调用指令时，程序将在函数调用后立即存储该指令的内存地址，并将函数参数复制到堆栈（为此保留的内存块），跳到标记函数起点的内存单元，执行函数代码（也许还需将返回值放入到寄存器中），然后跳回到地址被保存的指令处（这与阅读文章时停下来看脚注，并在阅读完脚注后返回到以前阅读的地方类似）。来回跳跃位置意味着以前使用函数时，需要一定的开销。

此时，内联函数出现了，它提供了另一种选择。内联函数的编译代码与其他程序代码“内联”起来了。也就是说，编译器将使用相应的函数代码替换函数调用。对于内联代码，程序无需跳到另一个位置处执行代码，再跳回来。因此，内联函数的运行速度比常规函数稍快，但代价是需要占用更多内存。如果程序在10个不同的地方调用同一个内联函数，则该程序将包含该函数代码的10个副本。

当然，我们不能盲目地使用内联函数，相反，我们应有选择地使用内联函数。

如果执行函数代码的时间比处理函数调用机制的时间长，则节省的时间将只占整个过程的很小一部分。如果代码执行时间很短，则内联调用就可以节省非内联调用使用的大部分时间。另一方面，由于这个过程相当快，因此尽管节省了该过程的大部分时间，但节省的时间绝对值并不大，除非该函数经常被调用。

 

上面说了一堆理论知识，那我们如何使用这项特性呢？？

• 在函数定义前加上关键字inline

除此之外，我们通常省略原型，将整个定义（即函数头和所有函数代码）放在本应提供原型的地方。

 

• 知识点：内联函数不能递归

 

下面是一个计算参数的平方的程序：

#include<iostream>
//一个内联函数定义
inline double square(double x)
{
	return x*x;
}

int main()
{
	using namespace std;
	double a = square(5.0);
	cout<<"a = "<<a<<endl;
}

我们注意到上述程序中整个内联函数的定义只占用了几行，如果函数定义占用多行（假定没有使用冗长的标识符），则将其作为内联函数就不太合适。

上述程序亦表明，内联函数和常规函数一样，也是按值来传递参数的。

如果参数为表达式（如4.5+7.5），则函数将传递表达式的值（为12）。这使得C++的内联功能远远胜过C语言的宏定义。

 

 

【默认参数】

这将又是C++的另一项新内容，让我们慢慢欣赏吧。

默认参数——当函数调用中省略了实参时自动使用的一个值。

上面是书本的解释，我的看法如下：

假设我们创建一个函数如下：

void wow(int n)

如若我们要调用这个函数，我们应该在调用函数中这样调用：wow(2);或int a=2;wow(a);，调用语句的本质是实参不能为空。而如果我们设置成n有默认值为1：

void wow(int n = 1)

哈哈，这时我们可以在调用函数中这样调用：wow();，此时实参为空，但由于形参n有默认值为1，那么此调用语句等价于：wow(1); 。当然如果我们调用语句为：wow(2);，那么形参n就是2，而不是1。

好了，我的讲解完了，是不是仿佛知道了默认参数的用处啊。

• 我们只能通过函数原型设置参数的默认值，方法是将值赋给原型中的参数。这是由于编译器通过查看原型来了解函数所使用的参数数目，因此函数原型也必须将可能的默认参数告知程序。同时，只需要函数原型指定默认值，而函数定义与没有默认参数时完全相同。

每每学习一个知识点，总有它的要求：对于带参数列表的函数，必须从右向左添加默认值。也就是说，要为某个参数设置默认值，则必须为它右边的所有参数提供默认值。

下面我们举几个例子：

int chico(int n, int m = 6, int j);		//错误 
int harpo(int n, int m = 4, int j = 5);
//harpo()原型允许调用该函数时提供1个、2个或3个参数：
beeps = harpo(2);			//same as harpo(2,4,5); 
beeps = harpo(1,8);			//same as harpo(1,8,5);
beeps = harpo(8,7,6); 		//没有使用默认参数 

除此，我们还要知道实参按从左到右的顺序依次被赋给相应的形参，而不能跳过任何参数。下面的调用就是一个反例：

beeps = harpo(3, ,8);		//错误，doesn‘t set m to 4

看到这，你可能吐槽默认参数的作用甚微，是的，它并非编程方面的重大突破，它只是提供了一种便捷的方式。而且，在设计类时我们将发现，通过使用默认参数，可以减少要定义的析构函数、方法以及方法重载的数量。

 

 

【函数重载】

在了解函数重载之前，我们先看一下函数多态。

函数多态是C++在C语言的基础上新增的功能。

学完了默认参数，我们知道它让我们能够使用不同数目的参数调用同一个函数，而函数多态（函数重载）让我们能够使用多个同名的函数。

术语“多态”：指的是有多种形式，因此函数多态允许函数可以有多种形式。

类似地，术语“函数重载”：指的是可以有多个同名的函数，因此对名称进行了重载。

这两个术语指的是同一回事，但我们通常使用函数重载。

简而言之，上面一大堆废话就是说：我们可以通过函数重载设计一系列同名的函数。

 

有多个同名的函数又怎么样？？有什么用吗？

当然有用啦！！

这些同名函数使用了不同的参数列表，但它们却完成相同的工作。

 

所以函数重载的关键是函数的参数列表——也称为函数特征标。

两个函数的特征标相同：参数数目相同、参数类型相同、参数的排列顺序相同。

C++允许定义名称相同的函数，条件是它们的特征标不同。

• 请记住：是特征标，而不是函数类型使得可以对函数重载。其实，这个我们仔细想一想就明白了，试想，若两个同名函数的特征标相同，那么我们调用语句与这两个函数都匹配，编译器就不知道调用哪个了，所以特征标才是函数重载的关键。

 

关于重载的几个注意点。

double cube(double x);
double cube(double &x);

这两个函数的特征标看上去不同，然而它们不能共存。因为如果有调用语句：cube(a);，参数a与double x原型和double &a原型都匹配，因此为避免这种混乱，编译器将把类型引用和类型本身视为同一个特征标。

/*	匹配函数时，并不区分const和非const变量	*/ 
void dribble(char *bits);		//用于常规指针 
void dribble(const char *bits);	//用于const指针 
//下面两个函数不能重载 
void dabble(char *bits);
void drivel(const char *bits);
//下面给出了各种函数调用对应的原型：
const char p1[20] = "How‘s the weather?";
char p2[20] = "How‘s business?";
dribble(p1);	//dribble(const char *);
dribble(p2);	//dribble(char *);
dabble(p1);		//no match
dabble(p2);		//dabble(char *)
drivel(p1);		//drivel(const char *)
drivel(p2); 	//drivel(const char *)

dribble()函数有两个原型，一个用于const指针，另一个用于常规指针，编译器将根据实参是否为const来决定使用哪个类型。dabble()函数只与带非const参数的调用匹配，而drivel()函数可以与带const或非const参数的调用匹配，只因为将非const值赋给const变量是合法的，但反之则是非法的。

 

我们何时使用函数重载呢？？

• 仅当函数基本上执行相同的任务，但使用不同形式的数据时。

 

 

【函数模板】

这又是C++新增的一项特性。

函数模板是通用的函数描述，也就是说，它们使用泛型来定义函数，其中的泛型可用具体的类型（如int或double）替换。

通过将类型作为参数传递给模板，可使编译器生成该类型的函数。

由于模板允许以泛型（而不是具体类型）的方式编写程序，因此有时也被称为通用编程。

由于类型是用参数表示的，因此模板特性有时也被称为参数化类型。

我承认这些都是废话。。。

 

下面我们来学习为何需要函数模板以及其工作原理。

看下面这个交换两个int值的程序：

#include<iostream>
using namespace std;

void swap(int *a, int *b)
{
	int t;  t = *a;	 *a = *b;	*b = t;
}
int main()
{
	int n1 = 3, n2 = 4;
	swap(n1, n2);
}

那么，如果我们要交换两个double值，我们会想到复制swap函数的代码，并用double替换所有的int。同理，如果需要交换两个char值，我们可以再次使用同样的技术。显然，进行这种修改将浪费宝贵的时间，且容易出错。这时，我们在想有没有什么好的办法完成这项任务呢？

当然有咯！！C++的函数模板功能能自动完成这一过程，可以节省时间，而且更可靠。

 

函数模板允许以任意类型的方式来定义函数。

例如，我们可以建立一个交换模板：

template <typename T>	//将类型命名为T，关键字typename可以用class代替 
void swap(T *a, T *b)
{
	T t;  t = *a;	 *a = *b;	*b = t;
}

我们要知道，模板并不创建任何函数，而只是告诉编译器如何定义函数。

需要交换int的函数时，编译器将按模板模式创建这样的函数，并用int代替T。同样，需要交换double的函数时，编译器将按模板模式创建这样的函数，并用double代替T。

 

更常见的情形是，将模板放在头文件中，并在需要使用模板的文件中包含头文件。

 

当我们需要多个对不同类型使用同一种算法的函数时，可使用模板。

但并非所有的类型都使用相同的算法，这是，我们可以像重载常规函数定义那样重载模板定义。

和常规重载一样，被重载的模板的函数特征标必须不同。如下面的程序：

template <typename T>
void swap(T *a, T *b);

template <typename T>
void swap(T a[], T b[], int n); //并非所有的模板参数都必须是模板参数类型(T)

template <typename T>
void swap(T *a, T *b) 
{
	T t;  t = *a;	 *a = *b;	*b = t;
}

template <typename T>
void swap(T a[], T b[], int n) 
{
	T t;
	for(int i = 0; i < n; i++)
	{
		t = a[i];
		a[i] = b[i];
		b[i] = t;
	}  
}

上述程序中新增了一个交换模板，用于交换两个数组中的元素。原来的模板的特征标为(T &, T &)，而新模板的特征标为(T[], T[], int)。

注意，在后一个模板中，最后一个参数的类型为具体类型（int），而不是泛型。并非所有的模板参数都必须是模板参数类型。

 

看到了模板函数的好处，它的局限性也比较显著。

假设有如下模板函数：

void f(T a, T b) 
{
	...
}

函数体内总会执行一些操作，这是不可否认的。假如，函数体内定义了赋值，但如果T为数组，这个模板函数就没用；再比如，函数体内定义了<，但如果T为结构，这个模板也没用。此外，还有好多好多。

总之，编写的模板函数很可能无法处理某些类型。

但我们可以想办法解决这个困难。例如，将两个包含位置坐标的结构相加是有意义的，虽然没有为结构定义运算符+。

此时，我们有两种解决方案：①C++允许我们重载运算符+，以便能够将其用于特定的结构或类，这样使用运算符+的模板便可处理重载了运算符+的结构；②为特定类型提供具体化的模板定义。

下面我们将来介绍第二种解决方案，因为第一种解决方案等我们学完运算符重载就会了啊！

 

我们来看这样一个结构：

struct job{
	char name[20];
	double salary;
	int floor;
};

我们要交换两个这种结构的内容可以使用上面的第一种模板，因为C++允许将一个结构赋给另一个结构。

然而，如果我们只想交换salary成员，其他成员不做交换，那么就需要使用不同的代码，但swap()的参数将保持不变（两个job结构的引用），因此无法使用模板重载来提供其他的代码。

然而，可以提供一个具体化函数定义（称为显示具体化），这个函数包含所需的代码。当编译器找到与函数调用匹配的具体化定义时，将使用该定义，而不再寻找模板。

 

 

 

 

 

 

温故而知新

1.哪种函数适合定义为内联函数

 短小的，执行速度快的，占用内存小，非递归的。

 

2.假如song()函数的原型如下：

void song(const char* name, int times);

a.如何修改原型，使times的默认值为1？

b.函数定义需要做哪些修改？

c.能否为name提供默认值“O.My Papa”？

 

答：

a。 修改成：void song(const char*name,int times=1);

b。函数定义无需修改

c。可以，但前提是为times提供默认值，且在调用时，应符合带默认参数的函数的调用方式。函数原型如改成：

void song(const char*name="O.My Papa", int times =1);

答案没有加const，但我觉得应该加上吧。

 

3.编写iquote()的重载版本——显示其用双引号括起的参数。编写3个版本：一个用于int参数，一个用于double参数，一个用于string参数。

答：

void iquote(int a)
{
    cout<<"\""<<a<<"\‘"<<endl;
}

void iquote(double a)
{
    cout<<"\""<<a<<"\""<<endl;
}

void iquote(string a)
{
    cout<<"\""<<a<<"\""<<endl;
}

View Code

 

4.下面是一个结构模板：

struct box{
	char maker[40];
	float height;
	float width;
	float length;
	float volume;
};

a.请编写一个函数，它将box结构的引用作为形参，并显示每个成员的值。

b.请编写一个函数，它将box结构的引用作为形参，并将volume成员的值设为其他3边的乘积。

 

答：

//a
void abc_1(const box& a)
{
    cout<<a.maker<<endl;
    cout<<a.height<<endl;
    cout<<a.width<<endl;
    cout<<a.length<<endl;
    cout<<a.volume<<endl;
}

//b
void abc_2(box& a)
{
    a.volume=a.height*a.width*a.length;
}

View Code

 

5.为让函数fill()和show()使用引用参数，需要对程序清单7.15做哪些修改？

答：

//原型修改为：
void fill(std::array<double,Seasons>&);
void show(std::array<double,Seasons>&);

//函数定义修改为：
void fill(std::array<double,Seasons>&pa)
{
    using namespace std;
    for (int i = 0; i < Seasons; i++){
        cout<< "Enter "<< Snames[i]<<" expenses: ";
        cin>>pa[i];
    }
}
void show(std::array<double, Seasons> &da)
{
    using namespace std;
    double total = 0.0;
    cout<<"\nEXPENSES\n";
    for (int i = 0; i < Seasons; i++){
        cout<<Snames[i]<<": $"<<da[i]<<endl;
        total += da[i];
    }
    cout<<"Total Expenses: $"<<total<<endl;
}

//函数调用改为：
fill(expenses);
show(expenses);

View Code

 

  

6.指出下面每个目标是否可以使用默认参数或函数重载完成，或者这两种方法都无法完成，并提供合适的原型。

a. mass(density,volume)返回密度为density、体积为volume的物体的质量，而mass(density)返回密度为density、体积为1.0立法米的物体的质量。这些值的类型都为double。

答：

可以用函数重载完成，也可以用默认函数完成。

默认函数如下：

double mass(double a, double b=1);

函数重载如下：

double mass(double a,double b);

double mass(double a);

 

b. repeat(10,"I‘m OK")将指定的字符串显示10次，而repeat("But you‘re kind of stupid")将指定的字符串显示5次。

答：

只能用函数重载完成，不能用默认函数，原型为：

void repeat(int,string);

void repeat(string);

 

c. average(3,6)返回两个int参数的平均值（int类型），而average(3.0,6.0)返回两个double值的平均值（double类型）。

答：

只能用函数重载完成，原型为：

int average(int,int);

double average(double,double);

 

d. mangle("I‘m glad to meet you")根据是将值赋给char变量还是char*变量，分别返回字符1和指向字符串“I‘m glad to meet you”的指针。

答：

两种方法都无法完成。

 

7.编写返回两个参数中较大值的函数模板。

答：

template<class xx>xx bigger(xx a,xx b)
{
    xx c=(a>b)?a:b;
    return c;
}

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8.给定复习题6的模板和复习题4的box结构，提供一个模板具体化，它接受两个box参数，并返回体积较大的一个。

答：

template<>box mass(box a,box b){
    return (a.volume>b.volume)?a:b;
}

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9.在下述代码（假定这些代码是一个完整程序的一部分）中，v1、v2、v3、v4和v5分别是哪种类型？

int g(int x);
....
float m = 5.5f;
float &rm = m;
decltype(m)v1 = m;
decltype(rm)v2 = m;
decltype((m)) v3 = m;
decltype(g(100))v4;
decltype(2.0*m)v5;

答：v1为float、v2为float&，v3为float（错，为float&，核对表的第三步），v4为g(100)这个函数的返回值的类型int（做题的时候没有注意第一行）（核对表的第二步），v5为double（核对表的第一步）。