8. 函数类型和函数指针类型

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2023-12-01

8. 函数类型和函数指针类型

在C语言中，函数也是一种类型，可以定义指向函数的指针。我们知道，指针变量的内存单元存放一个地址值，而函数指针存放的就是函数的入口地址（位于.text段）。下面看一个简单的例子：

例 23.3. 函数指针

#include <stdio.h>

void say_hello(const char *str)
{
	printf("Hello %s\n", str);
}

int main(void)
{
	void (*f)(const char *) = say_hello;
	f("Guys");
	return 0;
}

分析一下变量f的类型声明void (*f)(const char *)，f首先跟*号结合在一起，因此是一个指针。(*f)外面是一个函数原型的格式，参数是const char *，返回值是void，所以f是指向这种函数的指针。而say_hello的参数是const char *，返回值是void，正好是这种函数，因此f可以指向say_hello。注意，say_hello是一种函数类型，而函数类型和数组类型类似，做右值使用时自动转换成函数指针类型，所以可以直接赋给f，当然也可以写成void (*f)(const char *) = &say_hello;，把函数say_hello先取地址再赋给f，就不需要自动类型转换了。

可以直接通过函数指针调用函数，如上面的f("Guys")，也可以先用*f取出它所指的函数类型，再调用函数，即(*f)("Guys")。可以这么理解：函数调用运算符()要求操作数是函数指针，所以f("Guys")是最直接的写法，而say_hello("Guys")或(*f)("Guys")则是把函数类型自动转换成函数指针然后做函数调用。

下面再举几个例子区分函数类型和函数指针类型。首先定义函数类型F：

typedef int F(void);

这种类型的函数不带参数，返回值是int。那么可以这样声明f和g：

F f, g;

相当于声明：

int f(void);
int g(void);

下面这个函数声明是错误的：

F h(void);

因为函数可以返回void类型、标量类型、结构体、联合体，但不能返回函数类型，也不能返回数组类型。而下面这个函数声明是正确的：

F *e(void);

函数e返回一个F *类型的函数指针。如果给e多套几层括号仍然表示同样的意思：

F *((e))(void);

但如果把*号也套在括号里就不一样了：

int (*fp)(void);

这样声明了一个函数指针，而不是声明一个函数。fp也可以这样声明：

F *fp;

通过函数指针调用函数和直接调用函数相比有什么好处呢？我们研究一个例子。回顾第 3 节 “数据类型标志”的习题1，由于结构体中多了一个类型字段，需要重新实现real_part、img_part、magnitude、angle这些函数，你当时是怎么实现的？大概是这样吧：

double real_part(struct complex_struct z)
{
	if (z.t == RECTANGULAR)
		return z.a;
	else
		return z.a * cos(z.b);
}

现在类型字段有两种取值，RECTANGULAR和POLAR，每个函数都要if ... else ...，如果类型字段有三种取值呢？每个函数都要if ... else if ... else，或者switch ... case ...。这样维护代码是不够理想的，现在我用函数指针给出一种实现：

double rect_real_part(struct complex_struct z)
{
	return z.a;
}

double rect_img_part(struct complex_struct z)
{
	return z.b;
}

double rect_magnitude(struct complex_struct z)
{
	return sqrt(z.a * z.a + z.b * z.b);
}

double rect_angle(struct complex_struct z)
{
	double PI = acos(-1.0);

	if (z.a > 0)
		return atan(z.b / z.a);
	else
		return atan(z.b / z.a) + PI;
}

double pol_real_part(struct complex_struct z)
{
	return z.a * cos(z.b);
}

double pol_img_part(struct complex_struct z)
{
	return z.a * sin(z.b);
}

double pol_magnitude(struct complex_struct z)
{
	return z.a;
}

double pol_angle(struct complex_struct z)
{
	return z.b;
}

double (*real_part_tbl[])(struct complex_struct) = { rect_real_part, pol_real_part };
double (*img_part_tbl[])(struct complex_struct) = { rect_img_part, pol_img_part };
double (*magnitude_tbl[])(struct complex_struct) = { rect_magnitude, pol_magnitude };
double (*angle_tbl[])(struct complex_struct) = { rect_angle, pol_angle };

#define real_part(z) real_part_tbl[z.t](z)
#define img_part(z) img_part_tbl[z.t](z)
#define magnitude(z) magnitude_tbl[z.t](z)
#define angle(z) angle_tbl[z.t](z)

当调用real_part(z)时，用类型字段z.t做索引，从指针数组real_part_tbl中取出相应的函数指针来调用，也可以达到if ... else ...的效果，但相比之下这种实现更好，每个函数都只做一件事情，而不必用if ... else ...兼顾好几件事情，比如rect_real_part和pol_real_part各做各的，互相独立，而不必把它们的代码都耦合到一个函数中。“低耦合，高内聚”（Low Coupling, High Cohesion）是程序设计的一条基本原则，这样可以更好地复用现有代码，使代码更容易维护。如果类型字段z.t又多了一种取值，只需要添加一组新的函数，修改函数指针数组，原有的函数仍然可以不加改动地复用。