函數(shù)指針的基本概念和語(yǔ)法

來(lái)自：知乎，作者：曉亮Albert

函數(shù)指針是一種非常強(qiáng)大的編程工具，它可以讓我們以更加靈活的方式編寫程序。在本文中，我們將介紹 8 個(gè)函數(shù)指針的高級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景，并貼出相應(yīng)的代碼案例和解釋。

回調(diào)函數(shù)

回調(diào)函數(shù)是指在某個(gè)事件發(fā)生時(shí)被調(diào)用的函數(shù)。通常，回調(diào)函數(shù)是在某個(gè)庫(kù)函數(shù)或框架函數(shù)中注冊(cè)的，當(dāng)某個(gè)條件滿足時(shí)，庫(kù)函數(shù)或框架函數(shù)會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作。以下是一個(gè)示例：

voidhandle_event(intevent_type,void(*callback)(void))
{
    printf("event %d occurred
", event_type);


    if (callback)
    {
        callback();
    }
}




void callback_function()
{
    printf("callback function called
");
}




int main()
{
    handle_event(1, callback_function);
    handle_event(2, NULL);
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè) handle_event 函數(shù)，它接受兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)事件類型和一個(gè)函數(shù)指針。如果函數(shù)指針不為空，則會(huì)調(diào)用指定的函數(shù)。

在 main 函數(shù)中，我們分別調(diào)用 handle_event 函數(shù)來(lái)觸發(fā)兩個(gè)事件，其中第一個(gè)事件注冊(cè)了一個(gè)回調(diào)函數(shù) callback_function，第二個(gè)事件沒(méi)有注冊(cè)回調(diào)函數(shù)。

函數(shù)參數(shù)化

函數(shù)參數(shù)化是指通過(guò)函數(shù)指針將函數(shù)的某些行為參數(shù)化。這樣，我們可以在調(diào)用函數(shù)時(shí)動(dòng)態(tài)地指定函數(shù)的行為。以下是一個(gè)示例：

voidprocess_array(int*array,size_tsize,int(*process)(int))

{
    for (size_t i = 0; i < size; i++)
    {
        array[i] = process(array[i]);
    }
}


int increment(int n)
{
    return n + 1;
}


int main()
{
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    size_t size = sizeof(array) / sizeof(int);
    process_array(array, size, increment);
    for (size_t i = 0; i < size; i++)
    {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("
");
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè) process_array 函數(shù)，它接受三個(gè)參數(shù)：一個(gè)整型數(shù)組、數(shù)組大小和一個(gè)函數(shù)指針。函數(shù)指針指向一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)接受一個(gè)整型參數(shù)并返回一個(gè)整型結(jié)果。

學(xué)習(xí)單片機(jī)編程，重在動(dòng)手，給大家推薦郭天祥老師的《新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程》，有視頻講解、有例程代碼，鏈接如下：

在 process_array 函數(shù)中，我們將數(shù)組中的每個(gè)元素傳遞給指定的函數(shù)，然后將函數(shù)的返回值存儲(chǔ)回原數(shù)組中。

在 main 函數(shù)中，我們定義了一個(gè) increment 函數(shù)，它將傳入的整數(shù)加 1。然后，我們調(diào)用 process_array 函數(shù)來(lái)處理整型數(shù)組，并打印出結(jié)果。

排序算法

排序算法是函數(shù)指針的另一個(gè)常見應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)傳遞不同的比較函數(shù)，我們可以在不同的排序算法中重用相同的代碼。以下是一個(gè)示例：

typedef int (*compare_func_t)(const void *, const void *);


void sort(int *array, size_t size, compare_func_t compare_func)
{
    qsort(array, size, sizeof(int), compare_func);
}


int compare_int(const void *a, const void *b)
{
    return (*(int*)a - *(int*)b);
}


int compare_reverse_int(const void *a, const void *b)
{
    return (*(int*)b - *(int*)a);
}


int main()
{
    int array[] = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5};
    size_t size = sizeof(array) / sizeof(int);
    sort(array, size, compare_int);
    for (size_t i = 0; i < size; i++)
    {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("
");
    sort(array, size, compare_reverse_int);
    for (size_t i = 0; i < size; i++)
    {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("
");
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè) sort 函數(shù)，它接受三個(gè)參數(shù)：一個(gè)整型數(shù)組、數(shù)組大小和一個(gè)比較函數(shù)指針。

比較函數(shù)指針指向一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)接受兩個(gè)指向常量 void 類型的指針，并返回一個(gè)整型結(jié)果。

在 sort 函數(shù)中，我們使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù) qsort 來(lái)對(duì)整型數(shù)組進(jìn)行排序，其中比較函數(shù)指針由調(diào)用者傳遞。

在 main 函數(shù)中，我們定義了兩個(gè)比較函數(shù) compare_int 和 compare_reverse_int，分別用于升序和降序排序。然后，我們調(diào)用 sort 函數(shù)來(lái)對(duì)整型數(shù)組進(jìn)行排序，并打印出結(jié)果。

函數(shù)指針數(shù)組

函數(shù)指針數(shù)組是指一個(gè)數(shù)組，其中的每個(gè)元素都是一個(gè)函數(shù)指針。這種數(shù)組可以用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)分派表，根據(jù)輸入?yún)?shù)的不同，動(dòng)態(tài)地調(diào)用不同的函數(shù)。以下是一個(gè)示例：

void add(int a, int b)
{
    printf("%d + %d = %d
", a, b, a + b);
}


void subtract(int a, int b)
{
    printf("%d - %d = %d
", a, b, a - b);
}


void multiply(int a, int b)
{
    printf("%d * %d = %d
", a, b, a * b);
}


void divide(int a, int b)
{
    if (b == 0)
    {
        printf("cannot divide by zero
");
    }
    else
    {
        printf("%d / %d = %d
", a, b, a / b);
    }
}


typedef void (*operation_func_t)(int, int);


int main()
{
    operation_func_t operations[] = {add, subtract, multiply, divide};
    size_t num_operations = sizeof(operations) / sizeof(operation_func_t);
    int a = 10, b = 5;
    for (size_t i = 0; i < num_operations;i++)
    {
      operations[i](a,b);
    }
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了四個(gè)函數(shù) add、subtract、multiply 和 divide，分別對(duì)兩個(gè)整數(shù)進(jìn)行加、減、乘和除操作。

然后，我們定義了一個(gè)函數(shù)指針類型 operation_func_t，它指向一個(gè)接受兩個(gè)整型參數(shù)并沒(méi)有返回值的函數(shù)。

接著，我們定義了一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組 operations，其中的每個(gè)元素都是一個(gè) operation_func_t 類型的函數(shù)指針，分別指向 add、subtract、multiply 和 divide 函數(shù)。

在 main 函數(shù)中，我們使用 for 循環(huán)遍歷 operations 數(shù)組，并依次調(diào)用每個(gè)函數(shù)指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)。在每次調(diào)用函數(shù)之前，我們可以根據(jù)需要設(shè)置 a 和 b 的值。這樣，我們就可以動(dòng)態(tài)地選擇要執(zhí)行的操作。

函數(shù)指針與回溯法

回溯法是一種求解一些組合優(yōu)化問(wèn)題的算法，它通常使用遞歸來(lái)實(shí)現(xiàn)。函數(shù)指針可以用于實(shí)現(xiàn)回溯法算法的一些關(guān)鍵部分。

以下是一個(gè)使用回溯法來(lái)計(jì)算排列的示例：

typedef void (*callback_func_t)(const int *, size_t);


void swap(int *a, int *b)
{
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}


void permute(int *nums, size_t len, size_t depth, callback_func_t callback) {
    if (depth == len)
    {
        callback(nums, len);
        return;
    }
    for (size_t i = depth; i < len; i++)
    {
        swap(&nums[depth], &nums[i]);
        permute(nums, len, depth + 1, callback);
        swap(&nums[depth], &nums[i]);
    }
}


void print_array(const int *arr, size_t len)
{
    for (size_t i = 0; i < len; i++) 
    { 
      printf("%d ", arr[i]); }
      printf("
"); 
  }
}


int main()
{
  int nums[] = {1, 2, 3};
  permute(nums, sizeof(nums) / sizeof(int), 0, print_array); 
  return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè)函數(shù) permute，用于計(jì)算給定數(shù)組的排列。

在 permute 函數(shù)中，我們使用遞歸來(lái)生成所有可能的排列，并使用函數(shù)指針 callback 來(lái)指定每當(dāng)我們生成一個(gè)排列時(shí)應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。

在本例中，我們將 print_array 函數(shù)作為回調(diào)函數(shù)傳遞給了 permute 函數(shù)。這意味著每當(dāng) permute 函數(shù)生成一個(gè)排列時(shí)，它都會(huì)調(diào)用 print_array 函數(shù)來(lái)打印這個(gè)排列。

在 main 函數(shù)中，我們定義了一個(gè)包含三個(gè)整數(shù)的數(shù)組 nums，并使用 permute 函數(shù)來(lái)計(jì)算這個(gè)數(shù)組的所有排列。在每次生成一個(gè)排列時(shí)，permute 函數(shù)都會(huì)調(diào)用 print_array 函數(shù)來(lái)打印這個(gè)排列。

函數(shù)指針與多態(tài)

多態(tài)是面向?qū)ο缶幊讨械囊粋€(gè)重要概念，它允許我們?cè)诓恢缹?duì)象類型的情況下調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。雖然 C 語(yǔ)言不是面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言，但我們?nèi)匀豢梢允褂煤瘮?shù)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)。

以下是一個(gè)使用函數(shù)指針實(shí)現(xiàn)多態(tài)的示例：

typedef struct shape
{
    void (*draw)(struct shape *);
} shape_t;


typedef struct circle
{
    shape_t shape;
    int x;
    int y;
    int r;
} circle_t;


typedef struct rectangle
{
    shape_t shape;
    int x;
    int y;
    int w;
    int h;
} rectangle_t;


void circle_draw(shape_t *shape)
{
    circle_t *circle = (circle_t *)shape;
    printf("Drawing a circle at (%d, %d) with radius %d.
", circle->x, circle->y, circle->r);
}


void rectangle_draw(shape_t *shape)
{
    rectangle_t *rectangle = (rectangle_t *)shape;
    printf("Drawing a rectangle at (%d, %d) with width %d and height %d.
", rectangle->x, rectangle->y, rectangle->w, rectangle->h);
}


int main()
{
    circle_t circle =
    {
        .shape = {circle_draw},
        .x = 10,
        .y = 20,
        .r = 5,
    };
    rectangle_t rectangle =
    {
        .shape = {rectangle_draw},
        .x = 30,
        .y = 40,
        .w = 15,
        .h = 20,
    };
    shape_t *shapes[] = {(shape_t *)&circle, (shape_t *)&rectangle};
    for (size_t i = 0; i < sizeof(shapes) / sizeof(shape_t *); i++)
    {
        shapes[i]->draw(shapes[i]); 
     }
     return 0;
  }

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè) shape 結(jié)構(gòu)體，它有一個(gè)函數(shù)指針 draw，用于繪制該形狀。

我們還定義了兩個(gè)形狀：circle 和 rectangle，它們分別包含它們自己的屬性和一個(gè)指向 shape 結(jié)構(gòu)體的指針。每個(gè)形狀都定義了自己的 draw 函數(shù)，用于繪制該形狀。

在 main 函數(shù)中，我們定義了一個(gè) shape_t 類型的數(shù)組，其中包含一個(gè) circle 和一個(gè) rectangle。我們使用一個(gè)循環(huán)來(lái)遍歷這個(gè)數(shù)組，并使用每個(gè)形狀的 draw 函數(shù)來(lái)繪制該形狀。

注意，盡管 shapes 數(shù)組中的元素類型為 shape_t *，但我們?nèi)匀豢梢哉{(diào)用每個(gè)元素的 draw 函數(shù)，因?yàn)?circle 和 rectangle 都是從 shape_t 派生出來(lái)的，它們都包含一個(gè) draw 函數(shù)指針。

這個(gè)例子演示了如何使用函數(shù)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)。盡管 C 語(yǔ)言不支持面向?qū)ο缶幊?，但我們可以使用結(jié)構(gòu)體和函數(shù)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)類似的概念。

總結(jié)

函數(shù)指針是一種強(qiáng)大的工具，可以用于實(shí)現(xiàn)許多不同的編程模式和算法。

在本文中，我們介紹了函數(shù)指針的基本概念和語(yǔ)法，并提供了一些高級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景的代碼示例，包括回調(diào)函數(shù)、函數(shù)指針數(shù)組、函數(shù)指針作為參數(shù)、函數(shù)指針與遞歸、函數(shù)指針與多態(tài)等。

使用函數(shù)指針可以幫助我們編寫更加靈活和通用的代碼，并提高代碼的可重用性和可擴(kuò)展性。

審核編輯：黃飛