C语言 —- 指针函数与函数指针

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概述

指针函数和函数指针是C语言里两个比较绕的概念。但是不仅面试题爱考，实际应用中也比较广泛。很多人因为搞不清这两个概念，干脆就避而远之，我刚接触C语言的时候对这两个概念也比较模糊，特别是当指针函数、函数指针、函数指针变量、函数指针数组放在一块的时候，能把强迫症的人活活逼疯。
其实如果理解了这些概念的本质，是不需要死记硬背的，理解起来也比较容易。

指针函数

指针函数： 顾名思义，它的本质是一个函数，不过它的返回值是一个指针。其声明的形式如下所示：

ret *func(args, ...);

其中，func是一个函数，args是形参列表，ret *作为一个整体，是 func函数的返回值，是一个指针的形式。
下面举一个具体的实例来做说明：

# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>

int * func_sum(int n)
{ 
   
    if (n < 0)
    { 
   
        printf("error:n must be > 0\n");
        exit(-1);
    }
    static int sum = 0;
    int *p = &sum;
    for (int i = 0; i < n; i++)
    { 
   
        sum += i;
    }
    return p;
}

int main(void)
{ 
   
    int num = 0;
    printf("please input one number:");
    scanf("%d", &num);
    int *p = func_sum(num); 
    printf("sum:%d\n", *p);
    return 0;
}

上例就是一个指针函数的例子，其中，int * func_sum(int n)就是一个指针函数， 其功能十分简单，是根据传入的参数n，来计算从0到n的所有自然数的和，其结果通过指针的形式返回给调用方。
以上代码的运行结果如下所示：

如果上述代码使用普通的局部变量来实现，也是可以的，如下所示：

# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>

int func_sum2(int n)
{ 
      
    if (n < 0)
    { 
      
        printf("error:n must be > 0\n");
        exit(-1);
    }
    int sum = 0;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < n; i++)
    { 
      
        sum += i;
    }
    return sum;
}

int main(void)
{ 
   
    int num = 0;
    printf("please input one number:");
    scanf("%d", &num);
    int ret = func_sum2(num);
    printf("sum2:%d\n", ret);
    return 0;
}

本案例中，func_sum2函数的功能与指针函数所实现的功能完全一样。

不过在使用指针函数时，需要注意一点，相信细心地读者已经发现了，对比func_sum和func_sum2函数，除了返回值不一样之外，还有一个不同的地方在于，在func_sum中，变量sum使用的是静态局部变量，而func_sum2函数中，变量sum使用的则是普通的变量。
如果我们把指针函数的sum定义为普通的局部变量，会是什么结果呢？不妨来试验一下：

# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>

int * func_sum(int n)
{ 
   
    if (n < 0)
    { 
   
        printf("error:n must be > 0\n");
        exit(-1);
    }
    int sum = 0;
    int *p = &sum;
    for (int i = 0; i < n; i++)
    { 
   
        sum += i;
    }
    return p;
}

int main(void)
{ 
   
    int num = 0;
    printf("please input one number:");
    scanf("%d", &num);
    int *p = func_sum(num); 
    printf("sum:%d\n", *p);
    return 0;
}

执行以上程序，发现仍然能得到正确的结果

可是如果我们把main函数里面稍微改动一下：

int main(void)
{ 
   
    int num = 0;
    printf("please input one number:");
    scanf("%d", &num);
    int *p = func_sum(num);
    printf("wait for a while...\n");    //此处加一句打印
    printf("sum:%d\n", *p);
    return 0;
}

我们在输出sum之前打印一句话，这时看到得到的结果完全不是我们预先想象的样子，得到的并不是我们想要的答案。

为什么会出现上面的结果呢？
其实原因在于，一般的局部变量是存放于栈区的，当函数结束，栈区的变量就会释放掉，如果我们在函数内部定义一个变量，在使用一个指针去指向这个变量，当函数调用结束时，这个变量的空间就已经被释放，这时就算返回了该地址的指针，也不一定会得到正确的值。上面的示例中，在返回该指针后，立即访问，的确是得到了正确的结果，但这只是十分巧合的情况，如果我们等待一会儿再去访问该地址，很有可能该地址已经被其他的变量所占用，这时候得到的就不是我们想要的结果。甚至更严重的是，如果因此访问到了不可访问的内容，很有可能造成段错误等程序崩溃的情况。
因此，在使用指针函数的时候，一定要避免出现返回局部变量指针的情况。
那么为什么用了static就可以避免这个问题呢？
原因是一旦使用了static去修饰变量，那么该变量就变成了静态变量。而静态变量是存放在数据段的，它的生命周期存在于整个程序运行期间，只要程序没有结束，该变量就会一直存在，所以该指针就能一直访问到该变量。
因此，还有一种解决方案是使用全局变量，因为全局变量也是放在数据段的，但是并不推荐使用全局变量。

函数指针

与指针函数不同，函数指针 的本质是一个指针，该指针的地址指向了一个函数，所以它是指向函数的指针。
我们知道，函数的定义是存在于代码段，因此，每个函数在代码段中，也有着自己的入口地址，函数指针就是指向代码段中函数入口地址的指针。
其声明形式如下所示：

ret (*p)(args, ...);

其中，ret为返回值，*p作为一个整体，代表的是指向该函数的指针，args为形参列表。其中p被称为函数指针变量 。

关于函数指针的初始化

与数组类似，在数组中，数组名即代表着该数组的首地址，函数也是一样，函数名即是该数组的入口地址，因此，函数名就是该函数的函数指针。
因此，我们可以采用如下的初始化方式：

函数指针变量 =  函数名;

下面还是以一个简单的例子来具体说明一下函数指针的应用：

#include <stdio.h>

int max(int a, int b)
{ 
   
    return a > b ? a : b;
}

int main(void)
{ 
   
    int (*p)(int, int); //函数指针的定义
    //int (*p)(); //函数指针的另一种定义方式，不过不建议使用
    //int (*p)(int a, int b); //也可以使用这种方式定义函数指针
    
    p = max;    //函数指针初始化

    int ret = p(10, 15);    //函数指针的调用
    //int ret = (*max)(10,15);
    //int ret = (*p)(10,15);
    //以上两种写法与第一种写法是等价的，不过建议使用第一种方式
    printf("max = %d \n", ret);
    return 0;
}

上面这个函数的功能也十分简单，就是求两个数中较大的一个数。值得注意的是通过函数指针调用的方式。
首先代码里提供了3种函数指针定义的方式，这三种方式都是正确的，比较推荐第一种和第三种定义方式。然后对函数指针进行初始化，前面已经提到过了，直接将函数名赋值给函数指针变量名即可。
上述代码运行的结果如下：

调用的时候，既可以直接使用函数指针调用，也可以通过函数指针所指向的值去调用。(*p)所代表的就是函数指针所指向的值，也就是函数本身，这样调用自然不会有问题。有兴趣的同学可以去试一试。

为什么要使用函数指针？

那么，有不少人就觉得，本来很简单的函数调用，搞那么复杂干什么？其实在这样比较简单的代码实现中不容易看出来，当项目比较大，代码变得复杂了以后，函数指针就体现出了其优越性。
举个例子，如果我们要实现数组的排序，我们知道，常用的数组排序方法有很多种，比如快排，插入排序，冒泡排序，选择排序等，如果不管内部实现，你会发现，除了函数名不一样之外，返回值，包括函数入参都是相同的，这时候如果要调用不同的排序方法，就可以使用指针函数来实现，我们只需要修改函数指针初始化的地方，而不需要去修改每个调用的地方（特别是当调用特别频繁的时候）。

回调函数

函数指针的一个非常典型的应用就是回调函数。
什么是回调函数？
回调函数就是一个通过指针函数调用的函数。其将函数指针作为一个参数，传递给另一个函数。
回调函数并不是由实现方直接调用，而是在特定的事件或条件发生时由另外一方来调用的。
同样我们来看一个回调函数的例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

//函数功能：实现累加求和
int func_sum(int n)
{ 
   
        int sum = 0;
        if (n < 0)
        { 
   
                printf("n must be > 0\n");
                exit(-1);
        }
        for (int i = 0; i < n; i++)
        { 
   
                sum += i;
        }
        return sum;
}

//这个函数是回调函数，其中第二个参数为一个函数指针，通过该函数指针来调用求和函数，并把结果返回给主调函数
int callback(int n, int (*p)(int))
{ 
   
        return p(n);
}

int main(void)
{ 
   
        int n = 0;
        printf("please input number:");
        scanf("%d", &n);
        printf("the sum from 0 to %d is %d\n", n, callback(n, func_sum));       //此处直接调用回调函数，而不是直接调用func_sum函数
        return 0;
}

上面这个简单的demo就是一个比较典型的回调函数的例子。在这个程序中，回调函数callback无需关心func_sum是怎么实现的，只需要去调用即可。
这样的好处就是，如果以后对求和函数有优化，比如新写了个func_sum2函数的实现，我们只需要在调用回调函数的地方将函数指针指向func_sum2即可，而无需去修改callback函数内部。
以上代码的输出结果如下：

回调函数广泛用于开发场景中，比如信号函数、线程函数等，都使用到了回调函数的知识。
回调函数的例子：
你到一个商店买东西，刚好你要的东西没有货，于是你在店员那里留下了你的电话，过了几天店里有货了，店员就打了你的电话，然后你接到电话后就到店里去取了货。

在这个例子里，你的电话号码就叫回调函数，你把电话留给店员就叫登记回调函数，店里后来有货了叫做 触发回调事件，店员给你打电话叫做 调用回调函数，你到店里去取货叫做 响应回调事件。

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