第05讲：函数初步

《计算机程序设计》

苏醒

计算机学院计算机研究所编译系统研究室

课前准备

建立一个专门的目录用于课上练习，如~/course

$ mkdir ~/course

VSCode打开此目录并新建文件，如~/course/main.cpp
编辑main.cpp，随堂编程练习的代码请直接在此文件中编辑

main.cpp

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main() {
  // ============= begin =============

  // =============  end  =============
  return 0;
}

温故

测一测

南北朝《张丘建算经》中叙述了一个”女不善织“问题，本质上是等差级数求和。请补充代码，使用循环求解该问题。

有女不善织，日减功迟。初日织五尺，末日织一尺，今三十日织讫，问织几何？

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  double sum = 0;
  double decrease = (5 - 1) / 29.0;
  // ============= begin =============

  // =============  end  =============
  cout << sum << endl;
  return 0;
}

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  double sum = 0;
  double decrease = (5 - 1) / 29.0;
  // ============= begin =============
  double work = 5;
  for (int i = 0; i < 30; i++) {
    sum += work;
    work -= decrease;
  }
  // =============  end  =============
  cout << sum << endl;
  return 0;
}

学习目标

学习内容
- 函数定义
- 函数调用
- 变量的作用域与存储类别

学习目标

能够定义自己的函数
理解函数调用的过程，掌握传值与传引用方式传递参数
根据应用场景选择变量的作用域与存储类别

函数定义

C++函数定义

函数是模块化编程的基本单元，在给定输入的前提下，产生相应输出

函数定义示例

返回类型 函数名(形式参数列表)
  函数体

函数定义语法

double circleArea(double r) {
  const double PI = 3.1415926;
  if (r <= 0)
    return 0;
  return PI * r * r;
}

函数名（circleArea）：函数的标识符，用于调用函数
返回值类型（double）：说明函数返回值的类型，可以是void，表示无返回值
形式参数列表（double r）：说明函数接受的参数，包括参数类型与参数名
函数体：函数定义的主体，形式为复合语句

返回类型与返回值

返回类型声明了是函数返回给调用者的结果类型，是一个类型
- 若函数无返回值，返回类型为void
返回值函数实际传递给调用者的值，是一个表达式
- 返回值须匹配返回类型

使用return语句传递返回值

return语句

int add(int a, int b) {
  int c = a + b;
  return c;
}

返回类型为void，return语句可省略

void返回类型

void printHello() {
  cout << "Hello, World!" << endl;
  return; // 可以省略
}

返回值与返回类型不匹配

考考你

若返回值与返回类型不匹配，会发生什么？

非void函数无返回值

int add(int a, int b) {
  double c = a + b;
  return;
}

g++ -DERR1 -c code/return-type-errors.cpp

code/return-type-errors.cpp: In function ‘int add(int, int)’:
code/return-type-errors.cpp:8:3: error: return-statement with no value, in function returning ‘int’ [-fpermissive]
    8 |   return;
      |   ^~~~~~

void函数有返回值

void printHello() {
  cout << "Hello, World!" << endl;
  return 0;
}

g++ -DERR2 -c code/return-type-errors.cpp

code/return-type-errors.cpp: In function ‘void printHello()’:
code/return-type-errors.cpp:17:10: error: return-statement with a value, in function returning ‘void’ [-fpermissive]
   17 |   return 0;
      |          ^

避坑

非void函数无返回值或void函数有返回值，编译器会报错

返回值与返回类型不匹配

考考你

若返回值与返回类型不匹配，会发生什么？

返回值可转换为返回类型

int add(int a, int b) {
  double c = a + b;
  return c;
}

g++ -DERR3 -c code/return-type-errors.cpp

返回值不可转换为返回类型

char *add(int a, int b) {
  double c = a + b;
  return c;
}

g++ -DERR4 -c code/return-type-errors.cpp

code/return-type-errors.cpp: In function ‘char* add(int, int)’:
code/return-type-errors.cpp:35:10: error: cannot convert ‘double’ to ‘char*’ in return
   35 |   return c;
      |          ^
      |          |
      |          double

避坑

编译器会尝试将返回值转换为返回类型，若成功则返回转换后的值，否则报错

`return`语句缺失

考考你

非void函数中，return语句缺失，会发生什么？

return语句缺失

int add(int a, int b) {
  int c = a + b;
  // return c;
}

g++ -DERR5 -c code/return-type-errors.cpp

code/return-type-errors.cpp: In function ‘int add(int, int)’:
code/return-type-errors.cpp:45:1: warning: no return statement in function returning non-void [-Wreturn-type]
   45 | }
      | ^

return语句在部分执行路径缺失

int min(int a, int b) {
  if (a > b)
    return b;
  // return a;
}

g++ -DERR6 -c code/return-type-errors.cpp

code/return-type-errors.cpp: In function ‘int min(int, int)’:
code/return-type-errors.cpp:55:1: warning: control reaches end of non-void function [-Wreturn-type]
   55 | }
      | ^

避坑

非void函数中，return语句缺失或在部分执行路径缺失，编译器只会报告警告！但程序运行会有错误！

`return`语句使用指南

编程指南

对于void函数，也写出return语句，以明确函数结束
对于非void函数，确保所有执行路径都有return语句
避免return表达式类型与返回类型不匹配引入的隐式类型转换

在void函数中使用return语句

void printHello() {
  cout << "Hello, World!" << endl;
  return; // 不要省略
}

避免隐式类型转换

double add(int a, int b) {
  double c = a + b; // 这里隐式转换
  return c;         // 无需再转换
}

所有执行路径都有return语句

int select(int score) {
  switch (score/10) {
  case 10:
  case 9:
    return 5;
  case 8:
  case 7:
    return 4;
  case 6:
  default:
    return 3;
  }
}

形式参数

形式参数声明了调用者传递给函数的参数类型与参数名
函数体内代码可以通过形式参数名访问传递给函数的实际参数值

形式参数示例

double circleArea(double r) {
  const double PI = 3.1415926;
  if (r <= 0)
    return 0;
  return PI * r * r;
}

重审`main`函数

从语法上看，main函数与其他函数没有区别
从执行上看，main是程序的入口（由操作系统shell调用），程序从这里开始执行
- 若需要从命令行传递参数，可以通过argc和argv两个参数接收
- 返回值类型为int，表示程序退出状态，0表示正常退出，其他值表示异常退出

main函数示例

#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc == 1) {
    cout << "No arguments provided." << endl;
    return 1;
  }
  for (int i = 0; i < argc; i++)
    cout << "Argument " << i << " is: " << argv[i] << endl;
  return 0;
}

g++ code/maindemo.cpp -o code/maindemo
./code/maindemo
echo $? # 查看上一个命令的返回值

No arguments provided.
1

./code/maindemo 1 2 3
echo $? # 查看上一个命令的返回值

Argument 0 is: ./code/maindemo
Argument 1 is: 1
Argument 2 is: 2
Argument 3 is: 3
0

函数声明

函数声明是函数定义的前置声明，用于告诉编译器函数的存在
函数声明包括函数名、形参列表、返回类型，也称函数原型、函数签名、函数头

circledemo.cpp

#include <iostream>
double circleArea(double r); // 函数声明
int main() {
  double r = 3.0;
  std::cout << "The area is: " << circleArea(r) << std::endl; // 函数调用
  return 0;
}
double circleArea(double r) { // 函数定义
  const double PI = 3.1415926;
  if (r <= 0) return 0;
  return PI * r * r;
}

Try it!

删掉第一行，编译时会发生什么？

重审编译、链接

观察下面的两个文件，在编译、链接阶段会发生什么？

testcircle.cpp

#include <iostream>
double circleArea(double r);
int main() {
  double r = 3.0;
  std::cout << "The area is: "
            << circleArea(r) << std::endl;
  return 0;
}

circle.cpp

int circleArea(double r) {
  return 3 * (int)r * (int)r;
}

g++ code/testcircle.cpp code/circle.cpp -o code/testcircle
./code/testcircle

The area is: 3

考考你

从这个例子中，你能看出“类型”在编译阶段的作用吗？链接器能否看到类型信息？

函数调用

函数调用过程

函数仅在被调用时执行，执行完毕后返回调用点继续执行
在调用函数时，需要传入实际参数
- 实际参数是表达式，其值将在函数执行时绑定到形式参数上

circledemo.cpp

#include <iostream>
double circleArea(double r); // 函数声明
int main() {
  double r = 3.0;
  std::cout << "The area is: " << circleArea(r) << std::endl; // 函数调用
  return 0;
}
double circleArea(double r) { // 函数定义
  const double PI = 3.1415926;
  if (r <= 0) return 0;
  return PI * r * r;
}

参数传递

考考你

观察下面的程序，输出是什么？

valuearg.cpp

#include <iostream>

double updateme(double x) {
  x = x + 1;
  return x;
}

int main() {
  double x = 0;
  std::cout << "The updated value is: " << updateme(x) << std::endl;
  std::cout << "After the function call, x is: " << x << std::endl;
  return 0;
}

g++ code/valuearg.cpp -o code/valuearg
./code/valuearg

The updated value is: 1
After the function call, x is: 0

传值参数

默认情况下，C++以传值方式传递参数，即实参的值被复制到形参中
传值传递时，形参的值改变不会影响实参的值

valuearg-inspect.cpp

#include <iostream>
double updateme(double x) {
  x = x + 1;
  std::cout << "Parameter x is at memory " << &x << std::endl; // &操作符用于获取变量的地址
  return x;
}
int main() {
  double x = 0;
  updateme(x);
  std::cout << "Argument x is at memory " << &x << std::endl; // &操作符用于获取变量的地址
  return 0;
}

g++ code/valuearg-inspect.cpp -o code/valuearg-inspect
./code/valuearg-inspect

Parameter x is at memory 0x7ffca718c418
Argument x is at memory 0x7ffca718c430

传引用参数

C++支持传引用方式传递参数，可使形参与实参共享内存地址
传引用传递时，形参的值改变会影响实参的值，从而实现向调用者返回多个值

refarg.cpp

#include <iostream>
double updateme(double &x, double &y) { // &符号表示该参数以引用方式传递
  double z = x + y;
  std::cout << "Parameter x/y is at memory " << &x << '/' << &y << std::endl;
  return z;
}
int main() {
  double x = 0, y = 1;
  double z = updateme(x, y);
  std::cout << "Argument x/y is at memory " << &x << '/' << &y << std::endl;
  std::cout << "The updated value is: " << z << std::endl;
  return 0;
}

g++ code/refarg.cpp -o code/refarg
./code/refarg

Parameter x/y is at memory 0x7fff79ca7a20/0x7fff79ca7a28
Argument x/y is at memory 0x7fff79ca7a20/0x7fff79ca7a28
The updated value is: 1

参数传递方式对比

传值
- 简单、安全
- 参数体积较大时拷贝开销大
- 无法返回多个值

传引用
- 函数的输入/输出变得不透明
- 传递参数时不复制，直接传递地址
- 可以返回多个值

明察秋毫

函数参数的传递方式体现在形式参数的类型声明上！
- 实际上，int与int&的区别不仅仅是一个符号，二者是两种不同的类型！

变量的作用域与存储类别

变量的作用域（复习）

作用域：变量能被使用（可见）的代码区域
复合语句中定义的变量只能在复合语句内部使用
- 复合语句外定义的变量可以在复合语句内部使用
- 嵌套复合语句中定义的变量会隐藏外部同名变量

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 28px
---

mindmap
Root(变量)
  变量名：标识符
  类型：数据类型
  值：存储的数据
  地址：内存中的位置
  作用域：变量的可见范围
  生存周期：变量的有效时间

变量的六个属性

块作用域

{
  int a = 3, b = 2;     // a, b的作用域：2-12行
  {
    int c = 0, d = 0;   // c, d的作用域：4-8行
    int a = 0;          // a的作用域：5-8行，内层的a隐藏外层的a，
    a += b;             // 外层定义的变量可在内层使用
    cout << a << '\n';  // 2
  }
  cout << a << '\n';    // 3
  cout << c << '\n';    // 编译错误，已超出变量c的作用域
  return 0;
}

块作用域

在复合语句内定义的变量/常量只能在块内使用，这种作用域称为块作用域
函数体是一个复合语句，函数体内定义的变量/常量的作用域也是块作用域
- 形式参数的作用域为整个函数体

块作用域

void circleinfo() {
  double pi = 3.14159;            // 局部变量，作用域5-12行
  double circumference = 0;       // 局部变量，作用域6-12行
  for (int r = 1; r <= 10; r++) { // 局部变量，作用域7-11行
    double area = pi * r * r;     // 局部变量，作用域8-11行
    std::cout << "The area of a circle with radius " << r << " is " << area
              << std::endl;
  }
}

具有块作用域的变量称为局部变量

文件作用域

文件作用域：变量在整个文件中可见
- 在函数外部定义的变量/常量具有文件作用域

文件作用域

double pi = 3.14159; // 全局变量，作用域16行至文件尾部
double circleArea(double r) {
  if (r <= 0) return 0;
  return pi * r * r;
}

具有文件作用域的变量/常量称为全局变量/常量

考考你

如果我希望一个变量能被另外一个文件访问，应该怎么做？我们都使用过这样的变量，你知道是哪一个吗？

生存周期

变量的生存周期是指变量在内存中的有效时间，由变量的存储类别决定
存储类别：变量的存储位置
- 自动存储：局部变量
- 静态存储：全局变量/静态局部变量
- 外部存储：外部变量

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 28px
---

mindmap
Root(变量)
  变量名：标识符
  类型：数据类型
  值：存储的数据
  地址：内存中的位置
  作用域：变量的可见范围
  生存周期：变量的有效时间

变量的六个属性

存储类别

extern double E; // 全局变量声明：外部存储
int a = 3;       // 全局变量定义：静态存储
double circleArea(double r) {
  static double pi = 3.1415926; // 静态局部变量定义：静态存储
  double area = pi * r * r;     // 局部变量定义：自动存储
  return area;
}
double distance(double t) {
  extern double lightSpeed; // 局部变量声明：外部存储
  return lightSpeed * t;
}

自动存储

具有块作用域的局部变量具有自动存储类别
- 生存周期开始于所在语句块执行开始，结束于语句块执行结束

自动存储

{ // a的生存周期从这里开始
  int a = 3;
  cout << a << '\n';
} // a的生存周期到这里结束

明察秋毫

“自动存储”的含义可以简单理解（并不准确）：当变量所在的语句块开始执行时分配内存，结束时释放内存

静态存储

静态存储类别的变量在程序执行期间一直存在，即生存周期从同程序执行周期
- 全局变量与静态局部变量具有静态存储类别
- 静态存储变量默认初始化为0

静态存储

#include <iostream>
void hello() {
  static int count; // 默认初始化为0
  std::cout << "Hello, world! " << count++ << std::endl;
}
int main() {
  for (int i = 0; i < 3; i++)
    hello();
  return 0;
}

$ g++ -o code/staticstorage code/staticstorage.cpp
$ ./code/staticstorage

Hello, world! 0
Hello, world! 1
Hello, world! 2

静态存储

考考你

全局变量和静态局部变量都具有静态存储类别，它们的区别在哪里？

静态局部变量与全局变量

#include <iostream>
bool enableCounter;
int counter() {
  static int count = 0;
  if (enableCounter) return 0;
  return ++count;
}
int main() {
  enableCounter = true;
  std::cout << "Counter: " << count << std::endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/staticlocal-global code/staticlocal-global.cpp

code/staticlocal-global.cpp: In function ‘int main()’:
code/staticlocal-global.cpp:10:31: error: ‘count’ was not declared in this scope; did you mean ‘counter’?
   10 |   std::cout << "Counter: " << count << std::endl;
      |                               ^~~~~
      |                               counter

外部存储

外部存储类别用于声明外部变量，使用extern关键字实现
- 外部变量具有外部存储类别

外部存储

extern double PI; // 声明外部变量PI
double area(double r) {
  return PI * r * r;
}

明察秋毫

外部存储的核心要义是声明但不定义，即只声明此变量存在于他处，而无需在此处分配内存
外部变量必须定义在某处，否则会引起链接错误
外部变量的生存周期由其在他处的定义决定

引用其他文件中的变量/常量

externdemo.cpp

#include <iostream>
using namespace std;
extern double PI; // 声明变量
int main(int argc, char *argv[]) {
  cout << "The value of PI is: " << PI << endl;
  return 0;
}

mathconstants.cpp

double PI = 3.14159265358979323846;
double E = 2.71828182845904523536;
double lightSpeed = 299792458.0;
double gravity = 9.80665;
double planck = 6.62607015e-34;
double boltzmann = 1.380649e-23;

$ g++ -c -o code/externdemo code/externdemo.cpp code/mathconstants.cpp
$ ./code/externdemo

The value of PI is: 3.14159

Try it!

在externdemo.cpp第4行，如果不使用extern关键字，会发生什么？
在mathconstants.cpp中，如果给变量使用extern关键字，会发生什么？
在mathconstants.cpp中，如果给变量使用static关键字，会发生什么？

静态全局变量

static关键字用于局部变量时，会使变量具有静态存储类别
static关键字用于全局变量时，会使全局变量无法被其他文件访问
- 无论是否使用static关键字，全局变量都具有静态存储类别

externdemo.cpp

#include <iostream>
using namespace std;
extern double PI; // 声明变量
int main(int argc, char *argv[]) {
  cout << "The value of PI is: " << PI << endl;
  return 0;
}

staticglobal.cpp

// 静态全局变量，仅能在本文件中访问，其他文件无法通过extern进行访问
static double PI = 3.14159265358979323846;
static double E = 2.71828182845904523536;
static double lightSpeed = 299792458.0;
static double gravity = 9.80665;
static double planck = 6.62607015e-34;
static double boltzmann = 1.380649e-23;

$ g++ -c -o code/externdemo1 code/externdemo.cpp code/staticglobal.cpp

/usr/bin/ld: /tmp/ccvmqWdU.o: warning: relocation against `PI' in read-only section `.text'
/usr/bin/ld: /tmp/ccvmqWdU.o: in function `main':
externdemo.cpp:(.text+0x32): undefined reference to `PI'
/usr/bin/ld: warning: creating DT_TEXTREL in a PIE
collect2: error: ld returned 1 exit status

作用域与存储类别小结

作用域与存储类别示例

extern int lightSpeed;          // 外部变量，文件作用域
static double PI = 3.1415926;   // 静态全局变量，文件作用域（不可被其他文件访问）
bool enableCounter = true;      // 全局变量，文件作用域（可被其他文件访问）
double circleArea(double r) {
  extern double E;              // 外部变量，块作用域
  static int counter = 0;       // 静态局部变量，块作用域
  double area = PI * r * r;     // 自动局部变量，块作用域
  return area;
}

作用域与存储类别
分类	存储类别	作用域	生存周期
自动局部变量	自动存储	块作用域	代码块执行开始至执行结束
静态局部变量	静态存储	块作用域	程序开始至程序结束
全局变量	静态存储	文件作用域，可被其他文件访问	程序开始至程序结束
外部变量	外部存储	由声明位置决定	由定义位置决定
静态全局变量	静态存储	文件作用域，不可被其他文件访问	程序开始至程序结束

总结

本节内容

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 20px
---
mindmap
  函数初步
    函数定义
      返回类型与返回值
      形式参数
      函数声明
    函数调用
      函数调用过程
      传值参数
      传引用参数
    作用域
      块作用域
      文件作用域
    存储类别
      自动存储
      静态存储
      外部存储
      static/extern关键字

学习目标

能够定义自己的函数
理解函数调用的过程，掌握传值与传引用方式传递参数
根据应用场景选择变量的作用域与存储类别

课后作业

实训（截止时间2025.03.31 12:00）
- 综合练习—C&C++函数（第5关不需要使用递归）
预习
- 下一讲课件：工具链

计算机程序设计

第05讲：函数初步

课前准备

温故

学习目标

函数定义

C++函数定义

返回类型与返回值

返回值与返回类型不匹配

返回值与返回类型不匹配

return语句缺失

return语句使用指南

形式参数

重审main函数

函数声明

重审编译、链接

函数调用

函数调用过程

参数传递

传值参数

传引用参数

参数传递方式对比

变量的作用域与存储类别

变量的作用域（复习）

块作用域

文件作用域

生存周期

自动存储

静态存储

静态存储

外部存储

引用其他文件中的变量/常量

静态全局变量

作用域与存储类别小结

总结

本节内容

课后作业

`return`语句缺失

`return`语句使用指南

重审`main`函数