C++咬文嚼字-'Functions'

三月 13, 2007

关于Functions，Bjarne Stroustrup在'The C++ Programming Language'一书中是这么开篇的：'The typical way of getting something done in a C++ program is to call a function to do it.'；另外他还阐述了一个使用Functions的原则：'A function cannot be called unless it has been previously declared.'。

函数的声明和定义要一致，这里的一致是指函数名字、返回类型和参数列表(不包括参数名字)的一致。参数名字是被编译器ignored的，所以在声明时你完全可以不显式写出参数名：
int func(char*, int); // a declaration with no explicit argument names
当然从代码的可读性等考虑，还是建议声明时写上参数名：
int func(char* array, int size);

声明和定义的参数名字可以不相同，编译器关注的是参数列表的各个参数类型。
int func(char* c, int i); //a declaration
int func(char *array, int size) {…} // a definition

这里补充一点就是如果你给某个函数声明了一个参数，你在实现这个函数时最好用上这个参数。

使用或者调用一个函数就涉及到另外两个方面了：参数传递(Argument passing)和函数返回值(Return value)。参数传递和函数返回值在语义上等价于变量初始化(initialization)，与变量赋值(assignment)语义有区别。

这里首先区分一下变量初始化(initialization)与变量赋值(assignment)：
很显然变量初始化发生在这个变量生命周期的最开始阶段，任何一个变量的生命都源于编译器给它分配一块存储区域，而初始化就紧跟在内存分配之后，用初始值覆盖这块内存，通过这两步操作完成一个对象(无论是built-in还是user-defined)的建构，换句简洁的话说：初始化是用来创建对象的，是创建对象的一个步骤；在未执行该步骤时，这个对象从语义上讲还不存在；而变量赋值操作则是修改一个对象，这个对象在被赋值之前已经存在了，有自己的存储空间并且已经有过初始化操作，是一个语义上真实存在的对象；赋值操作仅仅是改变了那块内存区域的值或者是bit序列分布而已。

上面说过参数传递(Argument passing)从语义上相当于变量初始化，那么当一个实参(Actual argument)被传递给一个函数后，究竟是哪个变量被初始化了或者说被创建了？初始化过程又是如何呢？举例说明：
int func(T value_formal_arg, T* ptr_formal_arg, T& ref_formal_arg); //这是一个函数声明，囊括了passed by value, passed by pointer, passed by reference全部三种参数传递方式

int main() {
//…
int rv = func(value_actual_arg, ptr_actual_arg, ref_actual_arg);
//…
}

在参数传递过程中，完成了三个对象的创建，上面的func函数在传参的时候相当于：
int func(…) {
T value_formal_arg = value_actual_arg;
T* ptr_formal_arg = ptr_actual_arg;
T& ref_formal_arg = ref_actual_arg;

//接下来使用value_formal_arg，ptr_formal_arg和ref_formal_arg
}
从此可以看出，三个在function scope内的临时变量被在栈上分配内存，并分别被三个实参初始化了。当然有时候传进来的实参不能直接用于初始化，编译器要进行类型检查，看看传进来的实参是否匹配形参类型，对于兼容的类型做标准的或者用户自定义的implicit type conversions，对于完全不匹配的报告编译错误。
void print(int i) {…}

double d = 1.0;
print(d); //这里在传参的时候需要做一个将实参d转型为int型的implicit type conversion

void handle(int &i);

handle(1); //这里由于形参为non-const reference，而初始化语义不支持将常数直接用来初始化non-const reference，所以这里编译器会报告一个编译错误

说完了参数传递过程，接着看函数返回过程。前面同样提到了函数返回的语义也相当于变量初始化，那么我们同样要问这样一个问题：函数返回的过程中返回值到底用来创建哪个对象了？

T func(…) {
//…
return t; //t是T类型的
}

T rv;
rv = func(…);
当func返回时，返回值是用来初始化rv了么？根据上面我们所说的initialization和assignment的区别，我们可以断定这显然不是。那么返回值又是初始化哪个对象了呢？这里又有一个临时对象产生了。上面的语句等价于：
T rv;
T temp = t; //func的返回值t被用来创建一个临时对象temp
rv = temp; //这个临时对象最终被用来对rv进行assignment了

在C++中，以by value方式返回一个对象是效率不高的，特别是当返回复杂的user-defined类型时，其带来了额外的构造、拷贝构造和析构的损耗。在Scott Meyers的'More Effective C++'书中的条款20讲解了如何编写代码来配合编译器的'Return Value Optimization, RVO'优化技术，当编译器开启这种优化后，像上面我们的例子可以这么写：
T rv = func(…);

函数返回过程也许就会被优化成:
T rv = t;

C++的Function还提供了Default arguments机制，这里要注意的就是当函数有多个参数的时候，应该如何提供默认参数。比如：
void func(int a = 1, int b = 2, int c = 3); // ok
void func(int a, int b = 2, int c =3); // ok
void func(int a, int b, int c = 3); // ok
void func(int a = 1, int b, int c); // error

int main() {
func(); //call func(1, 2, 3)
func(5); //call func(5, 2, 3)
func(5, 7); //call func(5, 7, 3)
}
知道void func(int a = 1, int b, int c);为什么错了吧？比如我调用func(5, 7);这实参5是传给a还是传给b呢？显然编译器不能resolve，那就只能给你报告错误了^_^。