[達人專欄] 跟著豬腳 C 起來：程式語言的函數(shù)，不只是算數(shù)

作者：解凍豬腳│2020-10-14 07:16:23│巴幣：1,154│人氣：4415

　
　　今天來講講 C 語言裡的函數(shù)吧！這次的篇幅有點長，建議你先把開發(fā)環(huán)境準備好，一邊看文一邊試著自己動手做。

　　還記得上次介紹過了數(shù)學裡的「函數(shù)」是怎麼一回事。我們知道在研究數(shù)學的時候可以自行設(shè)計一個函數(shù)的規(guī)則，然後再把這個函數(shù)當成工具來使用，例如我們曾經(jīng)提到的「攝氏-華氏溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)」：

　　電腦既然最初是為了計算而生，那麼在程式設(shè)計的領(lǐng)域裡，自然就少不了函數(shù)的蹤影。

。在 C 語言要怎麼定義函數(shù)？

　　我們每次試圖憑空用 C 語言寫東西出來的時候，起手式總是這樣的：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    // code here
    return 0;
}

　　在 C 語言裡定義函數(shù)的做法非常簡單，就好像宣告變數(shù)一樣。假如我們想要定義一個從攝氏溫度轉(zhuǎn)換成華氏溫度的函數(shù)，只要決定好資料型態(tài)、取好名字，然後放在 main 的上面就可以了：

#include <stdio.h>

float temp_c_to_f(float c) {
    return c*9/5+32;
}

int main(void) {
    printf("攝氏 56 度等於華氏 %f 度\n", temp_c_to_f(56));
    return 0;
}

　　因為程式通常都是從上往下讀取，所以我們得把這些函數(shù)擺在 main 的上頭，這樣 main 才能曉得你要呼叫的函數(shù)到底是個什麼東西。

　　我把函數(shù)取名為 temp_c_to_f。你可以從現(xiàn)在就開始養(yǎng)成好習慣，我們盡量把函數(shù)命名成可以一看就懂的，這樣當以後遇到程式碼累積了成千上百行又需要編輯、維護的情況，我們?nèi)匀荒軌蚝芸斓卣业轿覀兿胍臇|西、馬上弄懂它在幹嘛。

　　定義好以後，只要在程式裡呼叫 temp_c_to_f(56) 就會得到 132.8，用起來就像數(shù)學的函數(shù)一樣（這裡的範例圖我改用 %.2f 表示顯示到小數(shù)點後第二位）：

　　當我們呼叫 temp_c_to_f(56) 的時候，系統(tǒng)就會開始執(zhí)行這個函數(shù)的內(nèi)容，並且把這裡面的變數(shù) c 設(shè)為 56，然後做了 56*9/5+32 的計算（得到 132.8），接著再將 132.8 這個結(jié)果回傳。當 132.8 這個值回傳回來，也就終於知道了這個 temp_c_to_f(56) 的值是 132.8。

。函數(shù)的型態(tài)

　　我們在定義函數(shù)的時候，首先要注意到的是 float temp_c_to_f 這裡的 float。函數(shù)開頭的資料型態(tài)表示的是 temp_c_to_f(c) 函數(shù)值的型態(tài)，簡單來說它用來決定我們回傳的結(jié)果最後應(yīng)該要是什麼類型。

　　比如說，我們知道攝氏溫度轉(zhuǎn)成華氏溫度的時候可能會有小數(shù)點，例如攝氏 56 度轉(zhuǎn)換成華氏溫度會變成 132.8 度，既然有了這樣的預期，那我們就應(yīng)該使用 float 或 double 型態(tài)來回傳這個 132.8。

　　如果你把這個函數(shù)用 int 的格式來回傳資訊的話，那就會發(fā)生強制轉(zhuǎn)型——小數(shù)點以後的資訊都會丟失，本來計算出 132.8 這樣的結(jié)果，就會被轉(zhuǎn)成 132：

　　再來看看函數(shù)定義括號裡的 float c。這裡的 float c 其實跟前面同理，只是這裡的 float 負責規(guī)範 c 這個變數(shù)的型態(tài)。如果我們改用 int c 來定義函數(shù)，卻輸入 56.3 這種含有小數(shù)點的浮點數(shù)，一樣會先被強制轉(zhuǎn)成 56，以 int 的模式來計算，最後這個計算結(jié)果又強制轉(zhuǎn)成 float 才傳回來：

　　所以說，無論是輸入的值還是輸出的值，一個優(yōu)秀的程式設(shè)計師都應(yīng)該要先想好它們的可能情況，然後按照需求決定好應(yīng)該用什麼型態(tài)來傳遞。

　　注意，這個函數(shù)的變數(shù) c 只會在這函數(shù)裡面有效，這個概念就好像「在 if、for 等等區(qū)塊裡面宣告的變數(shù)，只在這個區(qū)塊裡有效」一樣，我們稱它為區(qū)域變數(shù)（local variable）；直接在 main 外面宣告的變數(shù)，稱為全域變數(shù)（global variable），在各個函數(shù)之間都可以共用。

。原型宣告

　　有的人就是不喜歡把 main 擺在最下面，我們其實也可以把其他函數(shù)移到下面來宣告，但在 main 以前就要預先描述好函數(shù)的大致輪廓，好讓系統(tǒng)有所準備，這樣的宣告方式叫做「原型宣告」：

#include <stdio.h>

float temp_c_to_f(float);

int main(void) {
    printf("攝氏 56 度等於華氏 %f 度\n", temp_c_to_f(56));
    return 0;
}

float temp_c_to_f(float c) {
    return c*9/5+32;
}

　　這麼做的好處是，你可以從上半部一眼看到你的所有函數(shù)會以什麼樣的資料型態(tài)來傳遞，如果函數(shù)的原型跟你實際寫出來的函數(shù)長得不一樣，編譯器也會警告你，好讓你避免一些不必要的錯誤：

。多變數(shù)函數(shù)

　　有的時候，某些計算也不是只有一個變數(shù)那麼單純。

　　假設(shè)我們想要定義一個函數(shù)用來計算手上的比特幣（BTC）和以太幣（ETH）的總價值，這時候變數(shù)就會有兩個了：比特幣的數(shù)量和以太幣的數(shù)量。

　　我們可以使用逗號來分隔多個自變數(shù)：

double totalAsset(double btcAmount, double ethAmount) {
    return btcAmount*11500 + ethAmount*385;
}

　　這樣就能透過 totalAsset(1.27, 5) 直接計算出「1.27 顆比特幣和 5 顆以太幣總共價值多少美金」了。

。函數(shù)，不只是算數(shù)

　　不過，程式語言當中的函數(shù)並不只有這麼簡單的功能。它除了「計算」以外，也可以有「行為」的功能，甚至可以不輸入值、不回傳值，連函數(shù)的型態(tài)都省了：

sayHello() {
    printf("hi\n");
    printf("我是豬腳\n");
}

　　在程式設(shè)計的領(lǐng)域裡，由於函數(shù)不單只能被用來做純計算用途，因此「函數(shù)」也可以被稱為「函式」。實際上我們最早學到的 printf() 也是一個函式，只是它被定義在 stdio.h 這個標頭檔裡面，所以我們平常不會看到它的定義內(nèi)容。

　　我們只要呼叫 sayHello()，就會執(zhí)行函式裡面的程式碼：

　　不過，一般來說即使沒有任何東西，我們還是會用 void 來維持格式的統(tǒng)一（void 的意思就是「空」，什麼東西也沒有），否則有的函式有寫型態(tài)、有的函式?jīng)]寫型態(tài)，那多難看。

void sayHello(void) {
printf("hi\n");
printf("我是豬腳\n");
}

　　推薦大家遇到這種狀況的時候還是要使用 void，程式碼才會漂亮易讀。

　　要注意的是，函式裡的程式碼在執(zhí)行 return 以後就會回去執(zhí)行外面的程式碼了，也就是說在 return 行為之後的程式碼不會被執(zhí)行：

。遞迴函數(shù)

　　在數(shù)學裡面，有些函數(shù)的值是參考前項的值而得成的。例如很有名的費波納契數(shù)列：

　　1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610……

　　除了 f(1) 和 f(2) 都是 1 以外，每一項的值都是前兩項的總和：
　　f(3) = f(1)+f(2) = 1+1 = 2
　　f(4) = f(2)+f(3) = 1+2 = 3
　　f(5) = f(3)+f(4) = 2+3 = 5
　　f(6) = f(4)+f(5) = 3+5 = 8
　　f(7) = f(5)+f(6) = 5+8 = 13
　　……

　　我們得到規(guī)律：

　　在數(shù)學上，這種以自己作為參考的函數(shù)，就稱為遞迴函數(shù)。遞迴函數(shù)在程式語言的定義跟在數(shù)學上的定義方法差不多：我們知道 f(x) = f(x-1)+f(x-2)，當程式要求 f(5) 的時候，就會去呼叫 f(4) 和 f(3)；想要求 f(4) 的時候，就會去呼叫 f(3) 和 f(2)……如此循環(huán)。

　　當然我們也不可能讓它一直無限循環(huán)下去，總不可能讓它在求 f(1) 的時候還跑去接著求 f(0) 和 f(-1) 吧？這樣不就沒完沒了了嗎？

　　所以，我們既然已經(jīng)知道頭兩項的結(jié)果是 1 了，那我們就得在 f(1) 和 f(2) 的時候把函數(shù)值準備好，避免它無限下沉：

int fibonacci(int n) {
    if (n==1 || n==2) {
        return 1;
    }
    return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2);
}

　　當然也可以寫成這樣：

int fibonacci(int n) {
    if (n==1 || n==2) {
        return 1;
    } else {
        return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2);
    }
}

　　這兩種是沒有差別的，畢竟剛才提到 return 做完就會離開這次的函數(shù)計算了，在邏輯上本來就是二選一。

　　我們呼叫 f(5)，程式就會呼叫 f(4)+f(3)，然後先從 f(4) 處理，這裡的 f(4) 呼叫 f(3) 和 f(2)，接著從這邊的 f(3) 優(yōu)先處理，呼叫 f(2) 和 f(1)，得到了 f(3) = 1+1 = 2，再回頭往上層處理……

　　把呼叫順序畫成圖的話會變成這樣（左上角的小數(shù)字是順序）：

　　不信的話我們可以做個實驗，每次函數(shù)被呼叫就 print 一行字出來，這樣我們就可以知道呼叫的順序了，可以知道它是一層一層堆起來的：

。程式模組化

　　我們每次用 C 語言寫程式的時候總會寫到 int main(void) {...}，實際上這個 main 本身就是一個函式了。C 語言把程式編譯起來的時候，會預設(shè)先找到叫做 main 的函式，然後從這個函式當作起點開始執(zhí)行，這就是我們老是要定義 main() 的原因。

　　這些被呼叫的函式也被稱為「副程式」。我們在 main() 裡面呼叫了 sayHello()，讓電腦去執(zhí)行這個函式裡的東西，執(zhí)行完了才又回到 main() 繼續(xù)執(zhí)行下去，這個 sayHello() 就是一個相對於 main() 的副程式。

　　把時常重複的動作包裝成函式是相當重要的事！假設(shè)你想設(shè)計一個會問人吃飯了沒或拉屎了沒的程式，而且決定在每次問候以前都先自我介紹，你可以這麼做：

　　這麼做的好處在於，當你想要修改自我介紹內(nèi)容的時候，只要修改一個地方就好了：

　　如果不使用函式來把這些重複的行為包裝起來，程式碼就會看起來很醜又很難集中起來一起修改：

　　拿到現(xiàn)實生活來看，沒有好好運用函式來包裝各項功能的程式，就會是這副德性：

。Main 函式也可以是別人的副程式

　　如果你寫好的程式 123.exe 被拿來呼叫，那你這個程式就相當於是別人的副程式，你在這程式的 main 函式裡面 return 的值，就會回傳到當初呼叫的來源。這聽起來有點複雜，直接做一次就知道了。

　　假設(shè)我們寫一個程式，讓它完成任務(wù)以後回傳一個 5，然後我們把這個程式編譯成執(zhí)行檔並把執(zhí)行檔取名叫做 123.exe：

　　然後從另一個程式呼叫 123.exe：

　　我們會發(fā)現(xiàn) 123.exe 的 main() 也可以成為別人的副程式，也可以接收到來自 123.exe 回傳的資訊。

　　對於一個程式設(shè)計的學習者來說，一般情況下是不會沒事把專案寫成多個 exe 檔啦（這個之後會講到），不過瞭解程式如何呼叫函式、傳遞資料，這點還是蠻重要的。將來如果你想寫的專案相當龐大，那就會需要瞭解這些常識了。

　　這些就是函式的基本觀念。當然關(guān)於「函式」還是有一些延伸的東西沒說到，不過至少有這些已經(jīng)很夠了。這系列之後看看有什麼東西好講，我再拿出來分享吧。
　

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