Язык программирования Си для персонального компьютера

Бочков C. О.

Субботин Д. М.

ФУНКЦИИ

 

 

Введение

Функция — это совокупность объявлений и операторов, предназначенная для выполнения некоторой отдельной задачи. Количество функций в программе не ограничивается. Любая программа на языке Си содержит, по крайней мере, одну функцию, так называемую главную функцию, с именем main. В данном разделе описывается, как определять, объявлять и вызывать функции в языке Си.

Определение функции специфицирует имя функции, атрибуты ее формальных параметров, и тело функции, содержащее Объявления и операторы. В определении функции также может задаваться класс памяти функции и тип возвращаемого значения.

Объявление функции задает имя и тип возвращаемого значения функции, явное определение которой приведено в другом месте программы. В объявлении функции могут быть также специфицированы класс памяти, число аргументов функции и их типы. Прототип функции (версия 5.0 СП MSC и СП ГГС) позволяет, помимо того, задавать в объявлении идентификаторы и класс памяти аргументов. Это позволяет компилятору сравнивать при вызове типы фактических аргументов и формальных параметров функции.

Указание типа возвращаемого значения в определении функции необязательно, если это тип int. При другом типе возвращаемого значения необходимо указать этот тип в объявлении функции. К моменту вызова функции тип ее возвращаемого значения должен быть известен, поэтому перед вызовом может потребоваться предварительное объявление функции с указанием типа ее возвращаемого значения.

Вызов функции передает управление от вызывающей функции к вызываемой. Значения фактических аргументов, если они есть, передаются в вызываемую функцию. При выполнении оператора возврата return в вызываемой функции управление и возвращаемое значение (если оно есть) передаются в вызывающую функцию.

 

Определение функции

 

Определение функции специфицирует имя, формальные параметры и тело функции. Оно может также специфицировать тип возвращаемого значения и класс памяти функции. Синтаксис определения функции следующий:

[<спецификация КП>][<спецификация типа>]

<описатель> ([<список объявлений параметров>]) <тело функции>

<тело функции>

Спецификация класса памяти <спецификация КП> задает класс памяти функции. <Спецификация типа> в совокупности с описателем определяет тип возвращаемого значения и имя функции. <Список объявлений параметров> аналогичен списку типов аргументов в прототипе функции (см. раздел 3.5 "Объявление функции"). Он содержит объявления формальных параметров через запятую. Однако если в прототипе область действия идентификаторов ограничена этим же прототипом, то в списке объявлений параметров идентификаторы именуют формальные параметры данной функции. Их область действия — тело функции. <Тело функции> — это составной оператор, содержащий объявления локальных переменных и операторы.

В следующих разделах детально описываются перечисленные элементы определения функции.

 

Класс памяти

В определении функции допускается указание спецификации класса памяти static или extern. Классы памяти функций рассматривались в разделе 3.6.

 

Модификаторы типа функции

Компилятор языка Си поддерживает ряд модификаторов типа функций: pascal, cdecl, interrupt, near, far и huge (модификатор interrupt не реализован в версии 4 СП MSC). Модификаторы рассмотрены в разделе 3.3.3 "Описатели с модификаторами".

 

Типы возвращаемых значений

Синтаксис задания типа возвращаемого значения функции описан в разделе 3.5 "Объявление функции", функция может возвращать значение любого типа, кроме массива или функции; она может, в частности, возвращать указатель на любой тип, включая массив и функцию.

Тип возвращаемого значения, задаваемый в определении функции, должен соответствовать типу возвращаемого значения во всех объявлениях этой функции, если они имеются в программе. Для вызова функции с типом возвращаемого значения int не требуется ее предварительно объявлять или определять. Функции с другими типами возвращаемого значения должны быть определены или объявлены до того, как они будут вызваны.

Возвращаемое значение функции вырабатывается при выполнении оператора возврата return, содержащего выражение. Выражение вычисляется, преобразуется к типу возвращаемого значения и возвращается в точку вызова функции. Если оператор return отсутствует или не содержит выражения, то возвращаемое значение функции не определено. Если в этом случае вызывающая функция ожидает возвращаемое значение, то поведение программы непредсказуемо.

Примеры:

/* пример 1 */

/* тип возвращаемого значения int */

static add(int х, int у)

{

return (х + у);

}

/* пример 2 */

/* тип возвращаемого значения STUDENT */

typedef struct {

char name [20],

int id;

long class;

} STUDENT;

STUDENT sortstu(STUDENT a, STUDENT b)

{

return (a.id < b.id ? a : b);

}

/* пример 3 */

/* тип возвращаемого значения — указатель на char */

char *smallstr(char *s1, char *s2)

{

int i;

i = 0;

while(s1[i] != '\0' && s2[i] != '\0')

i++;

if(s1[i] == '\0')

return (s1);

else

return (s2);

}

В первом примере по умолчанию тип возвращаемого значения функции add определен как int. Функция имеет класс памяти static. Это значит, что она может быть вызвана только функциями того же исходного файла, в котором она определена.

Во втором примере посредством объявления typedef создан структурный тип STUDENT. Далее определена функция sortstu с типом возвращаемого значения STUDENT, функция возвращает тот из своих двух аргументов структурного типа, элемент id которого меньше.

В третьем примере определена функция, возвращающая указатель на значения типа char. Функция принимает в качестве аргументов две символьные строки (точнее, два указателя на массивы типа char) и возвращает указатель на более короткую из строк.

 

Формальные параметры

Формальные параметры — это переменные, которые принимают значения, переданные функции при вызове, в соответствии с порядком следования их имен в списке параметров.

Форма объявления формальных параметров аналогична использованию метода прототипов в объявлении функции. Список объявлений параметров содержит объявления формальных параметров через запятую. После списка сразу начинается тело функции (составной оператор). Список может быть и пустым, но и в этом случае он должен быть ограничен круглыми скобками. Если функция не имеет аргументов, рекомендуется указать это явно, записав в списке объявлений параметров ключевое слово void.

После последнего идентификатора в списке параметров может быть записана запятая с многоточием (,…). Это означает, что число параметров функции переменно, однако не меньше, чем следует идентификаторов до многоточия.

Для доступа к значениям параметров, имена которых не заданы в списке параметров функции, рекомендуется использовать макроопределения va_arg, va_end, va_start, описанные в разделе 12.

Допускается также список параметров, состоящий только из многоточия (…) и не содержащий идентификаторов. Это означает, что число параметров функции переменно и может быть равно нулю.

Примечание. Для совместимости с программами предыдущих версий компилятор допускает запись символа запятой без многоточия в конце списка параметров для обозначения их переменного числа. Запятая может быть использована вместо многоточия и в том случае, когда надо записать список параметров функции, принимающей нуль или более параметров. Использование запятой поддерживается только для совместимости. Для новых программ рекомендуется использовать многоточие.

Объявления параметров имеют тот же самый синтаксис, что и обычные объявления переменных (смотри раздел 3.4). Формальные параметры могут иметь базовый тип, либо быть структурой, объединением, указателем или массивом. Указание первой (или единственной) размерности для массива не обязательно. Массив воспринимается как указатель на тип элементов массива. Для формального параметра, таким образом, эквивалентны объявления

char s[];

char s[10];

char *s;

Параметры могут иметь класс памяти auto или register. Если спецификация класса памяти опущена, то подразумевается класс памяти auto. Если формальный параметр представлен в списке параметров, но не объявлен, то предполагается, что он имеет тип int. Порядок объявления формальных параметров необязательно должен совпадать с порядком их следования в списке параметров, однако для повышения читабельности программы рекомендуется следовать этому порядку.

Идентификаторы формальных параметров не могут совпадать с идентификаторами переменных, объявляемых внутри тела функции, но возможно локальное переобъявление формальных параметров внутри вложенных блоков функции.

В объявлениях формальных параметров не может быть объявлен никакой другой идентификатор, кроме перечисленных в списке параметров. Если функция имеет переменное число параметров, то программист отвечает и за определение их числа при вызове, и за получение их из стека внутри тела функции.

Тип каждого формального параметра должен соответствовать типу фактического аргумента и типу соответствующего аргумента в списке типов аргументов функции, если имеется предварительное объявление функции со списком типов аргументов. Компилятор выполняет преобразования по умолчанию отдельно над типом каждого формального параметра и над типом каждого фактического аргумента.

После преобразования все формальные параметры имеют тип размером не меньше, чем int, и ни один из формальных параметров не имеет тип float. Это означает, например, что объявление формального параметра с типом char эквивалентно его объявлению с типом int, а объявление с типом float эквивалентно объявлению с типом double.

Если используются модификаторы near, far, huge, то компилятор также может неявно провести преобразование аргументов-указателей. Метод преобразования в этом случае зависит от размера указателей в выбранной модели памяти и от наличия или отсутствия списка типов аргументов функции.

Тип каждого формального параметра (после преобразования) определяет, как интерпретируются размещенные в стеке аргументы. Несоответствие типов фактических аргументов типам формальных параметров может привести к неверной интерпретации. Например, если в качестве аргумента передается 16-битовый указатель, а соответствующий формальный параметр объявлен как 32-битовый, тоне 16, а 32 бита стека проинтерпретируются как аргумент. Эта ошибка повлияет не только на аргумент-указатель, но и на другие аргументы, которые следуют за ним. От ошибок такого рода может предохранить использование объявления функции со списком типов аргументов.

Пример:

struct student {

char name [20];

int id;

long class;

struct student *nextstu;

} student;

main(void)

{

int match(struct student *, char *);

.

.

.

if(match (student.nextstu, student.name) > 0) {

.

.

.

}

}

match (struct student *r, char *n)

{

int i = 0;

while(r->name[i] == n[i])

if(r->name[i++] == '\0')

return(r->id);

return (0);

}

В примере содержатся: объявление структурного типа student, определение главной функции, содержащей предварительное объявление функции match и ее вызов, и определение функции match. Обратите внимание на то, что одно и то же имя student используется без противоречия для тега структуры и имени структурной переменной.

Функция match объявлена с двумя аргументами. Первый аргумент — указатель на структуру типа student, второй — указатель на значение типа char.

В определении функции match заданы два формальных параметра, r и n. Параметр r объявлен как указатель на структуру типа student. Параметр n объявлен как указатель на значение типа char. По умолчанию, для функции match подразумевается тип возвращаемого значения int.

Функция match вызывается с двумя аргументами. Оба аргумента являются элементами переменной структурного типа student с именем student.

Поскольку имеется предварительное объявление функции match, компилятор проверит соответствие типов фактических аргументов в операторе ее вызова списку типов аргументов, а затем соответствие типов фактических аргументов типам формальных параметров. В данном случае несоответствия типов нет и в преобразованиях нет необходимости.

Обратите внимание на то, что имя массива, заданное в качестве второго аргумента в вызове функции, преобразуется по умолчанию к указателю на char. В функцию передается не сам массив, а адрес начала массива. Соответствующий формальный параметр также объявлен как указатель на char, а мог бы быть объявлен и как char n[], поскольку в выражении используется как идентификатор массива. Идентификатор массива рассматривается в выражении как адресное выражение, поэтому объявление формального параметра char *n; эквивалентно объявлению char n[];.

Внутри функции объявляется локальная переменная i, используемая в качестве индекса массива. Функция возвращает структурный элемент id, если структурный элемент name совпал с содержимым массива n; в противном случае функция возвращает нулевое значение.

 

Тело функции

Тело функции представляет собой составной оператор, или блок. Он содержит операторы, которые определяют действие функции, и объявления переменных, используемых в этих операторах. Составной оператор описан в разделе 5.3.

Все переменные, объявленные в теле функции, имеют по умолчанию класс памяти auto, но можно явно присвоить им другой класс памяти. При вызове функции выделяется память для ее локальных переменных и, если указано, производится их инициализация. Управление передается первому оператору составного оператора. Выполнение продолжается до тех пор, пока не встретится оператор return или конец тела функции (составного оператора). Управление возвращается в точку вызова функции.

Если функция возвращает значение, то должен быть выполнен оператор return, содержащий выражение. Если оператор return не выполнен, или если в операторе return отсутствует выражение, то возвращаемое значение не определено.

 

Объявление функции

Объявление функции определяет ее имя, тип возвращаемого значения, класс памяти и может также задавать тип некоторых или всех аргументов функции. Детальное описание синтаксиса объявлений функции дано в разделе 3.5. В разделе 3.6 рассмотрена зависимость области действия функции от ее класса памяти.

Однако, помимо явного объявления, функция может быть объявлена неявно, по контексту ее вызова. Неявное объявление имеет место всякий раз, когда функция вызывается без предварительного объявления или определения. В этом случае компилятор языка Си считает, что вызываемая функция имеет тип возвращаемого значения int и класс памяти extern. Определение функции, если оно имеется далее в том же самом исходном файле, может переопределить тип возвращаемого значения и класс памяти.

Тип возвращаемого значения функции, указанный в предварительном объявлении, должен соответствовать типу возвращаемого значения в определении функции.

Если функция, тип возвращаемого значения которой не int, вызывается до ее определения или объявления, то компилятор сообщает об ошибке.

Основное назначение предварительного объявления состоит в задании типов и числа аргументов, ожидаемых в вызове функции. Список типов аргументов позволяет компилятору осуществить контроль типов аргументов при вызове функции. Если предварительное объявление отсутствует, то программист сам должен следить за соответствием типов между фактическими аргументами и формальными параметрами. Более детально контроль типов рассмотрен в разделе 6.4.1 "Фактические аргументы".

Пример:

main(void)

{

int а = 0, b = 1;

float х = 2.0, у = 3.0;

double realadd (double, double);

a = intadd(a, b);

x = realadd(x, y);

}

intadd(int a, int b)

{

return (a + b);

}

double realadd(double x, double y)

{

return (x + y);

}

В примере функция intadd объявлена неявно с типом возвращаемого значения int, так как она вызнана до своего определения. Компилятор не проверит типы аргументов при вызове функции intadd, поскольку список типов аргументов для нее не задан.

Функция realadd возвращает значение типа double. В функции main имеется предварительное объявление функции realadd. Тип возвращаемого значения (double), заданный в определении, соответствует типу возвращаемого значения, заданному в предварительном объявлении. В предварительном объявлении также определены типы двух параметров функции realadd. Типы фактических аргументов соответствуют типам, заданным в предварительном объявлении, и также соответствуют типам формальных параметров в определении функции realadd.

 

Вызов функции

 

Вызов функции передает управление и фактические аргументы (если они есть) заданной функции. Синтаксически вызов функции имеет следующий вид:

<выражение>([<список выражений>])

<Выражение> вычисляется, и его результат интерпретируется как адрес функции. Выражение должно иметь тип функция.

<Список выражений>, в котором выражения следуют через запятую, представляет собой перечень фактических аргументов, передаваемых функции. Список выражений может быть пустым.

При выполнении вызова функции происходит присвоение значений фактических аргументов формальным параметрам. Перед этим каждый фактический аргумент вычисляется, над ним выполняются необходимые преобразования, и он копируется в стек. Первый фактический аргумент соответствует первому формальному параметру, второй — второму и т. д. Все аргументы передаются по значению, только массивы — по ссылке.

Вызванная функция работает с копией фактических аргументов, поэтому никакое изменение значений формальных параметров не отразится на значениях аргументов, с которых была сделана копия.

Передача управления осуществляется на первый оператор тела функции. Выполнение оператора return в теле функции возвращает в точку вызова управление и, возможно, значение. В отсутствие оператора return управление возвращается по достижении завершающей фигурной скобки тела функции. В этом случае возвращаемое значение не определено.

Примечание. Порядок вычисления выражений, представляющих аргументы вызова функции, не определен в языке Си, поэтому наличие побочных эффектов в этих выражениях может привести к непредсказуемым результатам. Гарантируется только то, что все побочные эффекты будут вычислены до передачи управления в вызываемую функцию.

<Выражение> должно ссылаться на функцию. Это означает, что функция может быть вызвана не только по идентификатору, но и через любое выражение, имеющее тип указателя на функцию.

Вызов функции синтаксически напоминает ее объявление. При объявлении функции сначала записывается ее имя, а затем список типов аргументов в скобках. При вызове также записывается имя функции, а за ним следует список выражений в скобках.

Аналогичным образом функция вызывается через указатель. Предположим, что указатель на функцию объявлен следующим образом:

int (*fpointer)(int, int);

Идентификатор fpointer именует указатель на функцию с двумя аргументами типа int и возвращаемым значением типа int. Вызов функции в этом случае будет выглядеть так:

extern int f (int, int);

fpointer = &f; /*знак & необязателен */

(*fpointer)(3,4); /* можно и просто fpointer(3,4); */

Примеры:

/* пример 1 */

double *realcomp(double, double);

double a, b, *rp;

rp = realcomp(a, b);

/* пример 2 */

main()

{

long lift(int), slep(int), drop(int);

void work(int, long (*)(int));

int select, count;

.

.

.

switch(select) {

case 1: work(count, lift); break;

case 2: work(count, step); break;

case 3: work(count, drop); break;

default: break;

}

void work(int n, long (*func)(int))

{

int i;

long j;

for(i = j = 0; i < n; i++)

j += (*func)(i); /* можно просто j += func(i); */

}

В первом примере объявляется, а затем вызывается функция realcomp, Функции передаются два аргумента типа double. Возвращаемое значение—указатель на переменную типа double — присваивается rp.

Во втором примере функции work передаются два аргумента: целая переменная count и адрес функции (lift, step, или drop). Обратите внимание на то, что адрес функции может задаваться просто указанием идентификатора функции, поскольку идентификатор функции интерпретируется как адресное выражение. Чтобы использовать идентификатор функции подобным образом, функция должна быть объявлена или определена перед использованием идентификатора, иначе идентификатор не будет распознан. Поэтому в начале функции main приведены объявления функций lift, step, drop.

В начале функции main задано также предварительное объявление функции work. В этом объявлении тип второго формального параметра задан как указатель на функцию, принимающую один аргумент типа int и возвращающую значение типа long. Скобки, заключающие символ *, обязательны. Без них объявление специфицировало бы функцию, возвращающую указатель на значение типа long. Функция work вызывает выбранную функцию оператором

(*func) (i);

Аргумент i передается функции, вызываемой по указателю func.

 

Фактические аргументы

Фактический аргумент может быть любым значением базового типа, структурой, объединением или указателем. Все фактические аргументы передаются по значению. Массивы и функции не могут быть переданы как параметры, могут передаваться указатели на эти объекты. Поэтому массивы и функции передаются по ссылке. Значения фактических аргументов копируются в соответствующие формальные параметры. Функция использует только эти копии, не изменяя сами переменные, с которых копия была сделана.

Возможность доступа из функции не к копиям значений, а к самим переменным обеспечивают указатели. Указатель на переменную содержит ее адрес, и функция может использовать этот адрес для изменения значения переменной.

Фактические аргументы (выражения в вызове функции) вычисляются и преобразуются следующим образом:

1) Если имеется объявление со списком типов аргументов (прототип), то при вызове функции выполняются преобразования по умолчанию над типом каждого фактического аргумента, заданным в списке типов аргументов. Затем фактический аргумент приводится к полученному преобразованному типу. Независимо от аргумента, тип соответствующего формального параметра в списке параметров функции также подвергается преобразованиям по умолчанию. Затем полученный тип фактического аргумента сравнивается с типом соответствующего формального параметра. В случае несоответствия никакого преобразования не производится, но компилятор выдает такое же предупреждающее сообщение, как для выражения присваивания, когда типы левого и правого операнда не совпадают.

2) Если объявление со списком типов аргументов (прототип) отсутствует, то преобразования по умолчанию производятся отдельно для каждого аргумента, не имеющего соответствующего имени типа. Если список типов аргументов завершен многоточием и задано больше фактических аргументов, чем имен типов в списке, то лишние фактические аргументы подвергаются только преобразованиям по умолчанию. Соответствующий формальный параметр в списке параметров функции также подвергается преобразованиям по умолчанию.

Если список типов аргументов не завершен многоточием, а передается больше фактических аргументов, чем объявлено имен в списке, то компилятор выдаст предупреждающее сообщение в СП MSC и сообщение об ошибке в СП ТС.

Если список типов аргументов содержит специальное имя типа void, то компилятор языка Си ожидает отсутствие фактических аргументов в вызове функции и отсутствие формальных параметров в определении функции. Если какое-либо из этих условий окажется нарушено, то компилятор языка Си выдает предупреждающее сообщение в СП MSC и сообщение об ошибке в СП ТС.

Если в списке типов аргументов используются модификаторы near, far, huge, то компилятор языка Си может также выполнить неявно преобразования аргументов-указателей к соответствующему формату (см. раздел 4.7.3 "Преобразования типов при вызовах функций").

Тип каждого формального параметра подвергается преобразованиям по умолчанию. Преобразованный тип каждого формального параметра определяет, каким образом интерпретируются аргументы в стеке. Если тип формального параметра не соответствует типу фактического аргумента, то данные в стеке могут быть проинтерпретированы неверно.

Примечание. Несоответствие типов формальных и фактических параметров может привести к серьезным ошибкам, особенно когда это несоответствие влечет за собой отличия в размерах объектов. Нужно иметь в виду, что эти ошибки не выявляются, если не задан список типов аргументов в предварительном объявлении функции, причем определение функции должно находиться в области действия объявления со списком типов аргументов. Если вы создаете библиотеку функций и соответствующий включаемый файл-заголовок, содержащий списки типов аргументов для всех библиотечных функций, предназначенный для включения в программы, которые будут обращаться к этой библиотеке, рекомендуется включить этот файл-заголовок и во все библиотечные функции, чтобы отловить на этапе их компиляции противоречия между списками типов аргументов и определениями функций.

Пример:

main()

{

void swap(int *, int *);

int x, у;

swap(&x, &y);

}

void swap(int *a, int *b)

{

int t;

t = *a;

*a = *b;

*b = t;

}

В функции main функция swap объявлена как не возвращающая значения, с двумя аргументами типа указатель на int. Формальные параметры а и b также объявлены как указатели на int. При вызове функции

swap(&x, &y)

адрес х запоминается в а, адрес у запоминается в b. Выражения *a и *b в функции swap ссылаются на переменные х и у в main. Присваивания внутри функции swap изменяет содержимое х и у. Компилятор языка Си проведет проверку типов аргументов при вызове swap, поскольку в предварительном объявлении swap задан список типов аргументов. В примере типы фактических аргументов соответствуют и списку типов аргументов, и списку формальных параметров.

 

Вызов функции с переменным числом аргументов

Для вызова функции с переменным числом аргументов не требуется никаких специальных действий: в вызове функции просто задается то число аргументов, которое нужно. В предварительном объявлении (если оно есть) переменное число аргументов специфицируется записью запятой с последующим многоточием (,…) в конце списка типов аргументов (смотри раздел 3.5). Аналогично, список параметров в определении функции может также заканчиваться запятой с последующим многоточием (,…), что подразумевает переменное число аргументов (см. раздел 6.2.4).

Все аргументы, заданные в вызове функции, размещаются в стеке. Количество формальных параметров, указанных в определении функции, определяет количество аргументов, которые берутся из стека и присваиваются формальным параметрам. В случае переменного числа аргументов программист сам контролирует реальное количество аргументов, находящихся в стеке, и отвечает за выбор из стека лишних аргументов (сверх объявленных).

См. описания макроопределений va_arg, va_end, va_start, которые могут быть полезны при работе с переменным числом аргументов.

 

Рекурсивные вызовы

Любая функция в Си-программе может быть вызвана рекурсивно; в частности, она может вызвать сама себя. Компилятор не ограничивает число рекурсивных вызовов одной функции. При каждом вызове новые ячейки памяти выделяются для формальных параметров и локальных переменных класса памяти auto и register, так что их значения в предшествующих, незавершенных вызовах недоступны и не портятся.

Для переменных, объявленных на внутреннем уровне с классом памяти static или extern, новые ячейки памяти не выделяются при каждом рекурсивном вызове. Выделенная им память сохраняется в течение всего времени выполнения программы.

Хотя компилятор языка Си не ограничивает число рекурсивных вызовов функции, операционная среда может налагать практические ограничения. Так как каждый рекурсивный вызов требует дополнительной стековой памяти, то слишком большое количество рекурсивных вызовов может привести к переполнению стека.