Функции и их применение
- Структура функции. Механизм передачи параметров. Области видимости.
- Понятие рекурсивной функции. Использование рекурсивных функций.
- Включение файла.
Лабораторная работа 7. Разработка пользовательских функций
Лабораторная работа 8. Разработка многофайлового проекта. (условие л/р 7, реализованное в виде многофалового проекта)
1. Структура функции. Механизм передачи параметров.
Области видимости
1.1 Функции и структура программы
Функции разбивают большие вычислительные задачи на более мелкие и позволяют воспользоваться тем, что уже сделано другими разработчиками, а не начинать создание программы каждый раз "с нуля". В выбранных должным образом функциях "упрятаны" несущественные для других частей программы детали их функционирования, что делает программу в целом более ясной и облегчает внесение в нее изменений. Язык проектировался так, чтобы функции были эффективными и простыми в использовании.
Обычно программы на Си состоят из большого числа небольших функций, а не из немногих больших. Программу можно располагать в одном или нескольких исходных файлах. Эти файлы можно компилировать отдельно, а загружать вместе, в том числе и с ранее откомпилированными библиотечными функциями.
Объявление и определение функции — это та область, где стандартом ANSI в язык внесены самые существенные изменения. В описании функции разрешено задавать типы аргументов. Объявления и определения функций соответствуют друг другу. Это позволяет компилятору обнаруживать намного больше ошибок. Кроме того, если типы аргументов соответствующим образом объявлены, то необходимые преобразования аргументов выполняются автоматически.
Стандарт вносит ясность в правила, определяющие области видимости имен; в частности, он требует, чтобы для каждого внешнего объекта было только одно определение. В нем обобщены средства инициализации: теперь можно инициализировать автоматические массивы и структуры.
Улучшен также препроцессор Си. Он включает более широкий набор директив условной компиляции, предоставляет возможность из макроаргументов генерировать строки в кавычках, а кроме того, содержит более совершенный механизм управления процессом макрорасширения.
1.2 Основные сведения о функциях
Определение любой функции имеет следующий вид:
тип-результата имя-функции (объявления аргументов)
{
объявления и инструкции
}
Отдельные части определения могут отсутствовать, как, например, в определении "минимальной" функции dummy() {} которая ничего не вычисляет и ничего не возвращает. Такая ничего не делающая функция в процессе разработки программы бывает полезна в качестве "хранителя места". Если тип результата опущен, то предполагается, что функция возвращает значение типа int.
Любая программа — это просто совокупность определений переменных и функций. Связи между функциями осуществляются через аргументы, возвращаемые значения и внешние переменные. В исходном файле функции могут располагаться в любом порядке; исходную программу можно разбивать на любое число файлов, но так, чтобы ни одна из функций не оказалась разрезанной.
Инструкция return реализует механизм возврата результата от вызываемой функции к вызывающей. За словом return может следовать любое выражение:
return выражение;
Если потребуется, выражение будет приведено к возвращаемому типу функции. Часто выражение заключают в скобки, но они не обязательны.
Вызывающая функция вправе проигнорировать возвращаемое значение. Более того, выражение в return может отсутствовать, и тогда вообще никакое значение не будет возвращено в вызывающую функцию.
Управление возвращается в вызывающую функцию без результирующего значения также и в том случае, когда вычисления достигли "конца" (т. е. последней закрывающей фигурной скобки функции). Не запрещена (но должна вызывать настороженность) ситуация, когда в одной и той же функции одни return имеют при себе выражения, а другие — не имеют. Во всех случаях, когда функция "забыла" передать результат в return, она обязательно выдаст "мусор".
1.3 Внешние переменные
Программа на Си обычно оперирует с множеством внешних объектов: переменных и функций. Прилагательное "внешний" (external) противоположно прилагательному "внутренний", которое относится к аргументам и переменным, определяемым внутри функций. Внешние переменные определяются вне функций и потенциально доступны для многих функций. Сами функции всегда являются внешними объектами, поскольку в Си запрещено определять функции внутри других функций. По умолчанию одинаковые внешние имена, используемые в разных файлах, относятся к одному и тому же внешнему объекту (функции). (В стандарте это называется редактированием внешних связей (external linkage).) В этом смысле внешние переменные похожи на переменные самого внешнего блока в Паскале.
Поскольку внешние переменные доступны всюду, их можно использовать в качестве связующих данных между функциями как альтернативу связей через аргументы и возвращаемые значения. Для любой функции внешняя переменная доступна по ее имени, если это имя было должным образом объявлено.
Если число переменных, совместно используемых функциями, велико, связи между последними через внешние переменные могут оказаться более удобными и эффективными, чем длинные списки аргументов.
Но к этому заявлению следует относиться критически, поскольку такая практика ухудшает структуру программы и приводит к слишком большому числу связей между функциями по данным.
Внешние переменные полезны, так как они имеют большую область действия и время жизни. Автоматические переменные существуют только внутри функции, они возникают в момент входа в функцию и исчезают при выходе из нее. Внешние переменные, напротив, существуют постоянно, так что их значения сохраняются и между обращениями к функциям. Таким образом, если двум функциям приходится пользоваться одними и теми же данными и ни одна из них не вызывает другую, то часто бывает удобно оформить эти общие данные в виде внешних переменных, а не передавать их в функцию и обратно через аргументы.
1.4 Области видимости
Функции и внешние переменные, из которых состоит Си-программа, каждый раз компилировать все вместе нет никакой необходимости. Исходный текст можно хранить в нескольких файлах. Ранее скомпилированные программы можно загружать из библиотек.
Областью видимости имени считается часть программы, в которой это имя можно использовать. Для автоматических переменных, объявленных в начале функции, областью видимости является функция, в которой они объявлены. Локальные переменные разных функций, имеющие, однако, одинаковые имена, никак не связаны друг с другом. То же утверждение справедливо и в отношении параметров функции, которые фактически являются локальными переменными.
Область действия внешней переменной или функции простирается от точки программы, где она объявлена, до конца файла, подлежащего компиляции.
Однако, если на внешнюю переменную нужно сослаться до того, как она определена, или если она определена в другом файле, то ее объявление должно быть помечено словом extern.
Важно отличать объявление внешней переменной от ее определения. Объявление объявляет свойства переменной (прежде всего ее тип), а определение, кроме того, приводит к выделению для нее памяти.
Если строки
int sp;
double val[MAXVAL];
расположены вне всех функций, то они определяют внешние переменные sp и val, т. е. отводят для них память, и, кроме того, служат объявлениями для остальной части исходного файла. А вот строки
extern int sp;
extern double val[];
объявляют для оставшейся части файла, что sp — переменная типа int, a val — массив типа double (размер которого определен где-то в другом месте); при этом ни переменная, ни массив не создаются, и память им не отводится.
На всю совокупность файлов, из которых состоит исходная программа, для каждой внешней переменной должно быть одно-единственное определение; другие файлы, чтобы получить доступ к внешней переменной, должны иметь в себе объявление extern. (Впрочем, объявление extern можно поместить и в файл, в котором содержится определение.) В определениях массивов необходимо указывать их размеры, что в объявлениях extern не обязательно.
Инициализировать внешнюю переменную можно только в определении.
1.5 Статические переменные
Указание static, примененное к внешней переменной или функции, ограничивает область видимости соответствующего объекта концом файла. Это способ скрыть имена. Так, если переменные buf и bufp должны быть внешними, поскольку их совместно используют функции getch и ungetch, но их следует сделать невидимыми для "пользователей" функций getch и ungetch.
Статическая память специфицируется словом static, которое помещается перед обычным объявлением. Если рассматриваемые нами две функции и две переменные компилируются в одном файле, как в показанном ниже примере:
static char buf[BUFSIZE]; /* буфер для ungetch */
static int bufp = 0; /* след, свободная позиция в buf */
int getch(void) { ... }
void ungetch(int c) { ... }
то никакая другая программа не будет иметь доступ ни к buf, ни к bufp, и этими именами можно свободно пользоваться в других файлах для совсем иных целей. Точно так же, помещая указание static перед объявлениями переменных sp и val, с которыми работают только push и pop, мы можем скрыть их от остальных функций.
Указание static чаще всего используется для переменных, но с равным успехом его можно применять и к функциям. Обычно имена функций глобальны и видимы из любого места программы.
Если же функция помечена словом static, то ее имя становится невидимым вне файла, в котором она определена.
Объявление static можно использовать и для внутренних переменных. Как и автоматические переменные, внутренние статические переменные локальны в функциях, но в отличие от автоматических они не возникают только на период работы функции, а существуют постоянно. Это значит, что внутренние статические переменные обеспечивают постоянное сохранение данных внутри функции.
1.6 Регистровые переменные
Объявление register сообщает компилятору, что данная переменная будет интенсивно использоваться.
Идея состоит в том, чтобы переменные, объявленные register, разместить на регистрах машины, благодаря чему программа, возможно, станет более короткой и быстрой. Однако компилятор имеет право проигнорировать это указание.
Объявление register выглядит следующим образом:
register int x;
register char с;
Объявление register может применяться только к автоматическим переменным и к формальным параметрам функции. Для последних это выглядит так:
f( register unsigned m, register long n)
{
register int i;
…
}
На практике существуют ограничения на регистровые переменные, что связано с возможностями аппаратуры.
Располагаться в регистрах может лишь небольшое число переменных каждой функции, причем только определенных типов. Избыточные объявления register ни на что не влияют, так как игнорируются в отношении переменных, которым не хватило регистров или которые нельзя разместить на регистре. Кроме того, применительно к регистровой переменной независимо от того, выделен на самом деле для нее регистр или нет, не определено понятие адреса. Конкретные ограничения на количество и типы регистровых переменных зависят от машины.
1.7 Блочная структура
Поскольку функции в Си нельзя определять внутри других функций, он не является языком, допускающим блочную структуру программы в том смысле, как это допускается в Паскале и подобных ему языках. Но переменные внутри функций можно определять в блочно-структурной манере. Объявления переменных (вместе с инициализацией) разрешено помещать не только в начале функции, но и после любой левой фигурной скобки, открывающей составную инструкцию. Переменная, описанная таким способом, "затеняет" переменные с тем же именем, расположенные в объемлющих блоках, и существует вплоть до соответствующей правой фигурной скобки. Например, в
if (n > 0) {
int i; /* описание новой переменной i */
for (i = 0; i < n; i++)
…
}
областью видимости переменной i является ветвь if, выполняемая при n>0; и эта переменная никакого отношения к любым i, расположенным вне данного блока, не имеет. Автоматические переменные, объявленные и инициализируемые в блоке, инициализируются каждый раз при входе в блок. Переменные static инициализируются только один раз при первом входе в блок.
Автоматические переменные и формальные параметры также "затеняют" внешние переменные и функции с теми же именами. Например, в
int x;
int у;
f(double x)
{
double у;
…
}
х внутри функции f рассматривается как параметр типа double, в то время как вне f это внешняя переменная типа int. То же самое можно сказать и о переменной y.
С точки зрения стиля программирования, лучше не пользоваться одними и теми же именами для разных переменных, поскольку слишком велика возможность путаницы и появления ошибок.
1.8 Инициализация
При отсутствии явной инициализации для внешних и статических переменных гарантируется их обнуление; автоматические и регистровые переменные имеют неопределенные начальные значения ("мусор").
Скалярные переменные можно инициализировать в их определениях, помещая после имени знак = и соответствующее выражение:
int x = 1;
char squote = '\'';
Для внешних и статических переменных инициализирующие выражения должны быть константными, при этом инициализация осуществляется только один раз до начала выполнения программы.
Инициализация автоматических и регистровых переменных выполняется каждый раз при входе в функцию или блок. Для таких переменных инициализирующее выражение — не обязательно константное. Это может быть любое выражение, использующее ранее определенные значения, включая даже и вызовы функций. В сущности, инициализация автоматической переменной — это более короткая запись инструкции присваивания. Какая запись предпочтительнее — в большой степени дело вкуса. До сих пор мы пользовались главным образом явными присваиваниями, поскольку инициализация в объявлениях менее заметна и дальше отстоит от места использования переменной.
2. Понятие рекурсивной функции. Использование рекурсивных функций
Рекурсия — это такой способ организации вспомогательного алгоритма (подпрограммы), при котором эта подпрограмма (процедура или функция) в ходе выполнения ее операторов обращается сама к себе. Вообще, рекурсивным называется любой объект, который частично определяется через себя.
В рекурсивном определении должно присутствовать ограничение, граничное условие, при выходе на которое дальнейшая инициация рекурсивных обращений прекращается.
Пример 1. Классический пример, без которого не обходятся ни в одном рассказе о рекурсии, — определение факториала. С одной стороны, факториал определяется так: n!=1*2*3*...*n. Граничным условием в данном случае является n<=1.
Программная реализация
double Factorial(int N)
{double F;
if (N<=1) F=1.; else F=Factorial(N-1)*N;
return F; }
Пример 2. Определим функцию K(n), которая возвращает количество цифр в заданном натуральном числе n:
Программная реализация
int K(int N)
{int Kol;
if (N<10) Kol=1; else Kol=K(N/10)+1;
return Kol; }
Обращение к рекурсивной подпрограмме ничем не отличается от вызова любой другой подпрограммы. При этом при каждом новом рекурсивном обращении в памяти создаётся новая копия подпрограммы со всеми локальными переменными. Такие копии будут порождаться до выхода на граничное условие. Очевидно, в случае отсутствия граничного условия, неограниченный рост числа таких копий приведёт к аварийному завершению программы за счёт переполнения стека.
Порождение все новых копий рекурсивной подпрограммы до выхода на граничное условие называется рекурсивным спуском. Максимальное количество копий рекурсивной подпрограммы, которое одновременно может находиться в памяти компьютера, называется глубиной рекурсии. Завершение работы рекурсивных подпрограмм, вплоть до самой первой, инициировавшей рекурсивные вызовы, называется рекурсивным подъёмом.
Выполнение действий в рекурсивной подпрограмме может быть организовано одним из вариантов:
рекурсивный подъём рекурсивный спуск и рекурсивный спуск,
и рекурсивный подъём
{ { {
P; операторы; операторы;
операторы; P; P;
} } операторы;
}
Здесь P — рекурсивная подпрограмма. Как видно из рисунка, действия могут выполняться либо на одном из этапов рекурсивного обращения, либо на обоих сразу. Способ организации действий диктуется логикой разрабатываемого алгоритма.
Пример 3. Вычислить сумму элементов линейного массива.
При решении задачи используем следующее соображение: сумма равна нулю, если количество элементов равно нулю, и сумме всех предыдущих элементов плюс последний, если количество элементов не равно нулю.
Программная реализация
#include <stdio.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int summa(int N, int a[100]);
int i,n, a[100];
void main()
{clrscr();
printf("\nКоличество элементов массива? "); scanf("%d", &n);
printf("\nВ сформированном массиве %d чисел:\n", n);
randomize();
for (i=0; i<n; i++)
scanf("%d ", &a[i]);
printf("Сумма: %d", summa(n-1, a));
}
int summa(int N, int a[100])
{ if (N==0) return a[0]; else return a[N]+summa(N-1, a); }
Пример 4. Определить, является ли заданная строка палиндромом, т.е. читается одинаково слева направо и справа налево.
Идея решения заключается в просмотре строки одновременно слева направо и справа налево и сравнении соответствующих символов. Если в какой-то момент символы не совпадают, делается вывод о том, что строка не является палиндромом, если же удается достичь середины строки и при этом все соответствующие символы совпали, то строка является палиндромом. Граничное условие — строка является палиндромом, если она пустая или состоит из одного символа.
#include <stdio.h>
#include <conio.h>
#include <string.h>
char s[100];
int pal(char s[100]);
void main()
{ clrscr();
printf("\nВведите строку: "); gets(s);
if (pal(s)) printf("Строка является палиндромом");
else printf("Строка не является палиндромом");
}
int pal(char s[100])
{ int l; char s1[100];
if (strlen(s)<=1) return 1;
else {l=s[0]==s[strlen(s)-1];
strncpy(s1, s+1, strlen(s)-2);
s1[strlen(s)-2]='\0';
return l&&pal(s1);}
}
Подводя итог, заметим, что использование рекурсии является красивым приёмом программирования. В то же время в большинстве практических задач этот приём неэффективен с точки зрения расходования таких ресурсов ЭВМ, как память и время исполнения программы. Использование рекурсии увеличивает время исполнения программы и зачастую требует значительного объёма памяти для хранения копий подпрограммы на рекурсивном спуске. Поэтому на практике разумно заменять рекурсивные алгоритмы на итеративные.
3. Препроцессор языка Си. Включение файла. Условная компиляция
Некоторые возможности языка Си обеспечиваются препроцессором, который работает на первом шаге компиляции. Наиболее часто используются две возможности: #include, вставляющая содержимое некоторого файла во время компиляции, и #define, заменяющая одни текстовые последовательности на другие.
3.1. Включение файла
Средство #include позволяет, в частности, легко манипулировать наборами #define и объявлений. Любая строка вида
#include "имя-файла"
или
#include <имя-файла>
заменяется содержимым файла с именем имя-файла. Если имя-файла заключено в двойные кавычки, то, как правило, файл ищется среди исходных файлов программы; если такового не оказалось или имя-файла заключено в угловые скобки < и >, то поиск осуществляется по определенным в реализации правилам.
Включаемый файл сам может содержать в себе строки #include.
Часто исходные файлы начинаются с нескольких строк #include, ссылающихся на общие инструкции #define и объявления extern или прототипы нужных библиотечных функций из заголовочных файлов вроде <stdio.h>. (Строго говоря, эти включения не обязательно являются файлами; технические детали того, как осуществляется доступ к заголовкам, зависят от конкретной реализации.)
Средство #include — хороший способ собрать вместе объявления большой программы. Он гарантирует, что все исходные файлы будут пользоваться одними и теми же определениями и объявлениями переменных, благодаря чему предотвращаются особенно неприятные ошибки. Естественно, при внесении изменений во включаемый файл все зависимые от него файлы должны перекомпилироваться.
3.2 Условная компиляция
Самим ходом препроцессирования можно управлять с помощью условных инструкций. Они представляют собой средство для выборочного включения того или иного текста программы в зависимости от значения условия, вычисляемого во время компиляции.
Вычисляется константное целое выражение, заданное в строке #if. Это выражение не должно содержать ни одного оператора sizeof или приведения к типу и ни одной enum-константы. Если оно имеет ненулевое значение, то будут включены все последующие строки вплоть до #endif, или #elif, или #else.
(Инструкция препроцессора #elif похожа на else if.) Выражение defined(имя) в #if есть 1, если имя было определено, и 0 в противном случае.
Например, чтобы застраховаться от повторного включения заголовочного файла hdr.h, его можно оформить следующим образом:
#if !defined(HDR)
#define HDR
/* здесь содержимое hdr.h */
#endif
При первом включении файла hdr.h будет определено имя HDR, а при последующих включениях препроцессор обнаружит, что имя HDR уже определено, и перескочит сразу на #endif. Этот прием может оказаться полезным, когда нужно избежать многократного включения одного и того же файла. Если им пользоваться систематически, то в результате каждый заголовочный файл будет сам включать заголовочные файлы, от которых он зависит, освободив от этого занятия пользователя.
Вот пример цепочки проверок имени SYSTEM, позволяющей выбрать нужный файл для включения:
#if SYSTEM == SYSV
#define HDR "sysv.h"
#elif SYSTEM == BSD
#define HDR "bsd.h"
#elif SYSTEM == MSDOS
#define HDR "msdos.h"
#else
#define HDR "default.h"
#endif
#include HDR
Инструкции #ifdef и #ifndef специально предназначены для проверки того, определено или нет заданное в них имя. И следовательно, первый пример, приведенный выше для иллюстрации #if, можно записать и в таком виде:
#ifndef HDR
#define HDR
/* здесь содержимое hdr.h */
#endif
| 
