2. 自定义函数

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小牛编辑

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2023-12-01

2. 自定义函数

我们不仅可以调用C标准库提供的函数，也可以定义自己的函数，事实上我们已经这么做了：我们定义了main函数。例如：

int main(void)
{
	int hour = 11;
	int minute = 59;
	printf("%d and %d hours\n", hour, minute / 60);
	return 0;
}

main函数的特殊之处在于执行程序时它自动被操作系统调用，操作系统就认准了main这个名字，除了名字特殊之外，main函数和别的函数没有区别。我们对照着main函数的定义来看语法规则：

函数定义 → 返回值类型函数名(参数列表) 函数体
函数体 → { 语句列表 }
语句列表 → 语句列表项语句列表项 ...
语句列表项 → 语句
语句列表项 → 变量声明、类型声明或非定义的函数声明
非定义的函数声明 → 返回值类型函数名(参数列表);

我们稍后再详细解释“函数定义”和“非定义的函数声明”的区别。从第 7 章 结构体开始我们才会看到类型声明，所以现在暂不讨论。

给函数命名也要遵循上一章讲过的标识符命名规则。由于我们定义的main函数不带任何参数，参数列表应写成void。函数体可以由若干条语句和声明组成，C89要求所有声明写在所有语句之前（本书的示例代码都遵循这一规定），而C99的新特性允许语句和声明按任意顺序排列，只要每个标识符都遵循先声明后使用的原则就行。main函数的返回值是int型的，return 0;这个语句表示返回值是0，main函数的返回值是返回给操作系统看的，因为main函数是被操作系统调用的，通常程序执行成功就返回0，在执行过程中出错就返回一个非零值。比如我们将main函数中的return语句改为return 4;再执行它，执行结束后可以在Shell中看到它的退出状态（Exit Status）：

$ ./a.out 
11 and 0 hours
$ echo $?
4

$?是Shell中的一个特殊变量，表示上一条命令的退出状态。关于main函数需要注意两点：

[K&R]书上的main函数定义写成main(){...}的形式，不写返回值类型也不写参数列表，这是Old Style C的风格。Old Style C规定不写返回值类型就表示返回int型，不写参数列表就表示参数类型和个数没有明确指出。这种宽松的规定使编译器无法检查程序中可能存在的Bug，增加了调试难度，不幸的是现在的C标准为了兼容旧的代码仍然保留了这种语法，但读者绝不应该继续使用这种语法。
其实操作系统在调用main函数时是传参数的，main函数最标准的形式应该是int main(int argc, char *argv[])，在第 6 节 “指向指针的指针与指针数组”详细介绍。C标准也允许int main(void)这种写法，如果不使用系统传进来的两个参数也可以写成这种形式。但除了这两种形式之外，定义main函数的其它写法都是错误的或不可移植的。

关于返回值和return语句我们将在第 1 节 “return语句”详细讨论，我们先从不带参数也没有返回值的函数开始学习定义和使用函数：

例 3.2. 最简单的自定义函数

#include <stdio.h>

void newline(void)
{
	printf("\n");
}

int main(void)
{
	printf("First Line.\n");
	newline();
	printf("Second Line.\n");
	return 0;
}

执行结果是：

First Line.

Second Line.

我们定义了一个newline函数给main函数调用，它的作用是打印一个换行，所以执行结果中间多了一个空行。newline函数不仅不带参数，也没有返回值，返回值类型为void表示没有返回值^[4]，这说明我们调用这个函数完全是为了利用它的Side Effect。如果我们想要多次插入空行就可以多次调用newline函数：

int main(void)
{
	printf("First Line.\n");
	newline();
	newline();
	newline();
	printf("Second Line.\n");
	return 0;
}

如果我们总需要三个三个地插入空行，我们可以再定义一个threeline函数每次插入三个空行：

例 3.3. 较简单的自定义函数

#include <stdio.h>

void newline(void)
{
	printf("\n");
}

void threeline(void)
{
	newline();
	newline();
	newline();
}

int main(void)
{
	printf("Three lines:\n");
	threeline();
	printf("Another three lines.\n");
	threeline();
	return 0;
}

通过这个简单的例子可以体会到：

同一个函数可以被多次调用。
可以用一个函数调用另一个函数，后者再去调第三个函数。
通过自定义函数可以给一组复杂的操作起一个简单的名字，例如threeline。对于main函数来说，只需要通过threeline这个简单的名字来调用就行了，不必知道打印三个空行具体怎么做，所有的复杂操作都被隐藏在threeline这个名字后面。
使用自定义函数可以使代码更简洁，main函数在任何地方想打印三个空行只需调用一个简单的threeline()，而不必每次都写三个printf("\n")。

读代码和读文章不一样，按从上到下从左到右的顺序读代码未必是最好的。比如上面的例子，按源文件的顺序应该是先看newline再看threeline再看main。如果你换一个角度，按代码的执行顺序来读也许会更好：首先执行的是main函数中的语句，在一条printf之后调用了threeline，这时再去看threeline的定义，其中又调用了newline，这时再去看newline的定义，newline里面有一条printf，执行完成后返回threeline，这里还剩下两次newline调用，效果也都一样，执行完之后返回main，接下来又是一条printf和一条threeline。如下图所示：

图 3.1. 函数调用的执行顺序

读代码的过程就是模仿计算机执行程序的过程，我们不仅要记住当前读到了哪一行代码，还要记住现在读的代码是被哪个函数调用的，这段代码返回后应该从上一个函数的什么地方接着往下读。

现在澄清一下函数声明、函数定义、函数原型（Prototype）这几个概念。比如void threeline(void)这一行，声明了一个函数的名字、参数类型和个数、返回值类型，这称为函数原型。在代码中可以单独写一个函数原型，后面加;号结束，而不写函数体，例如：

void threeline(void);

这种写法只能叫函数声明而不能叫函数定义，只有带函数体的声明才叫定义。上一章讲过，只有分配存储空间的变量声明才叫变量定义，其实函数也是一样，编译器只有见到函数定义才会生成指令，而指令在程序运行时当然也要占存储空间。那么没有函数体的函数声明有什么用呢？它为编译器提供了有用的信息，编译器在翻译代码的过程中，只有见到函数原型（不管带不带函数体）之后才知道这个函数的名字、参数类型和返回值，这样碰到函数调用时才知道怎么生成相应的指令，所以函数原型必须出现在函数调用之前，这也是遵循“先声明后使用”的原则。

在上面的例子中，main调用threeline，threeline再调用newline，要保证每个函数的原型出现在调用之前，就只能按先newline再threeline再main的顺序定义了。如果使用不带函数体的声明，则可以改变函数的定义顺序：

#include <stdio.h>

void newline(void);
void threeline(void);

int main(void)
{
	...
}

void newline(void)
{
	...
}

void threeline(void)
{
	...
}

这样仍然遵循了先声明后使用的原则。

由于有Old Style C语法的存在，并非所有函数声明都包含完整的函数原型，例如void threeline();这个声明并没有明确指出参数类型和个数，所以不算函数原型，这个声明提供给编译器的信息只有函数名和返回值类型。如果在这样的声明之后调用函数，编译器不知道参数的类型和个数，就不会做语法检查，所以很容易引入Bug。读者需要了解这个知识点以便维护别人用Old Style C风格写的代码，但绝不应该按这种风格写新的代码。

如果在调用函数之前没有声明会怎么样呢？有的读者也许碰到过这种情况，我可以解释一下，但绝不推荐这种写法。比如按上面的顺序定义这三个函数，但是把开头的两行声明去掉：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	printf("Three lines:\n");
	threeline();
	printf("Another three lines.\n");
	threeline();
	return 0;
}

void newline(void)
{
	printf("\n");
}

void threeline(void)
{
	newline();
	newline();
	newline();
}

编译时会报警告：

$ gcc main.c
main.c:17: warning: conflicting types for ‘threeline’
main.c:6: warning: previous implicit declaration of ‘threeline’ was here

但仍然能编译通过，运行结果也对。这里涉及到的规则称为函数的隐式声明（Implicit Declaration），在main函数中调用threeline时并没有声明它，编译器认为此处隐式声明了int threeline(void);，隐式声明的函数返回值类型都是int，由于我们调用这个函数时没有传任何参数，所以编译器认为这个隐式声明的参数类型是void，这样函数的参数和返回值类型都确定下来了，编译器根据这些信息为函数调用生成相应的指令。然后编译器接着往下看，看到threeline函数的原型是void threeline(void)，和先前的隐式声明的返回值类型不符，所以报警告。好在我们也没用到这个函数的返回值，所以执行结果仍然正确。

^[4]敏锐的读者可能会发现一个矛盾：如果函数newline没有返回值，那么表达式newline()不就没有值了吗？然而上一章讲过任何表达式都有值和类型两个基本属性。其实这正是设计void这么一个关键字的原因：首先从语法上规定没有返回值的函数调用表达式有一个void类型的值，这样任何表达式都有值，不必考虑特殊情况，编译器的语法解析比较容易实现；然后从语义上规定void类型的表达式不能参与运算，因此newline() + 1这样的表达式不能通过语义检查，从而兼顾了语法上的一致和语义上的不矛盾。