C语言进阶之路之函数、作用域与存储期篇

一、学习目标

掌握函数的命名、参数及返回值的设计
理解静态函数、钩子函数、内联函数等函数的原理
清楚代码运行时的作用域和生命周期等知识

二、函数入门

在C语言中，函数意味着功能模块。一个典型的C语言程序，就是由一个个的功能模块拼接起来的整体。也因为如此，C语言被称为模块化语言。

对于函数的使用者，可以简单地将函数理解为一个黑箱，使用者只管按照规定给黑箱一些输入，就会得到一些输出，而不必理会黑箱内部的运行细节。

日常使用的电视机可以被理解为一个典型的黑箱，它有一些公开的接口提供给使用者操作，比如开关、音量、频道等，使用者不需要理会其内部电路，更不需要管电视机的工作原理，只需按照规定的接口操作接口得到结果。

对于函数的设计者，最重要的工作是封装，封装意味着对外提供服务并隐藏细节。对于一个封装良好的函数而言，其对外提供服务的接口应当是简洁的，内部功能应当是明确的。

函数的定义

函数头：函数对外的公开接口

1. 函数名称：命名规则与跟变量一致，一般取与函数实际功能相符合的、顾名思义的名称。
2. 参数列表：即黑箱的输入数据列表，一个函数可有一个或多个参数，也可以不需要参数 0 - N 。
3. 返回类型：即黑箱的输出数据类型，一个函数可不返回数据，但最多只能返回一个数据 0 - 1 。

函数体：函数功能的内部实现代码，只用一对大括号包含 { 函数体 }
语法说明：

返回类型 函数名称(参数1, 参数2, ……)
{
    函数体
}

概念：

函数调用过程中的被传递的参数，被称为实参，即 arguments

函数定义语句中的参数，被称为形参，即 parameters

实参与形参的关系：

实参于形参的类型和个数必须一一对应。

形参的值由实参初始化。

形参与实参位于不同的内存区域，彼此独立。

如何设计自己的函数

- 在设计自己的函数之前一定要想清楚该函数的功能
- 第二步想清楚对外的接口，也就是用户如何使用该功能
- 想清楚该共功能的执行步骤，并把所有的步骤用注释写清楚
- 按照注释填写代码

如何在函数中传递参数

函数传参的过程中有两大类：

参数的值传递：

就是把参数具体的数值进行传递，实参的数据作为形参的初始化值。
- 值传递后，形参与实参再也没有任何关联，他们分别在自己对应的函数栈空间中

int a = 123 ;
char b = 45 ;

func(a , b) ;

参数的地址传递：

- - - 把参数的地址传递出去，实参的地址作为形参的初始值
    - 参数的地址传递，形参就指向实参实际的数据的地址，因此在子函数中可以直接操作实参所对应的地址

int a = 123 ; 
char b = 45 ; 
func( &a , &b) ;

函数调用的流程

函数调用时，进程的上下文会切换到被调函数，当被调函数执行完毕之后再切换回去。

局部变量与栈内存

局部变量概念：凡是被一对花括号包含的变量，称为局部变量
局部变量特点：
- 某一函数内部的局部变量，存储在该函数特定的栈内存中
- 局部变量只能在该函数内可见，在该函数外部不可见
- 当该函数退出后，局部变量所占的内存立即被系统回收，因此局部变量也称为临时变量
- 函数的形参虽然不被花括号所包含，但依然属于该函数的局部变量
栈内存特点：
- 每当一个函数被调用时，系统将自动分配一段栈内存给该函数，用于存放其局部变量
- 每当一个函数退出时，系统将自动回收其栈内存
- 系统为函数分配栈内存时，遵循从上（高地址）往下（低地址）分配的原则

int max(int x, int y) // 变量 x 和 y 存储在max()函数的栈中
{
    int z;            // 变量 z 存储在max()函数的栈中
    z = x>y ? x : y;
    return z;         // 函数退出后，栈中的x、y 和 z 被系统回收
}

int main(void)
{
    int a = 1; // 变量 a 存储在main()函数的栈中
    int b = 2; // 变量 b 存储在main()函数的栈中
    int m;     // 变量 m 存储在main()函数的栈中，未赋值因此其值为随机值
    
    m = max(a, b);
}

技术要点：
- 栈内存相对而言是比较小的，不适合用来分配尺寸太大的变量（较大尺寸可以放在堆或者数据段中）。
- return 之后不可再访问函数的局部变量，因此返回一个局部变量的地址通常是错误的。

静态函数

背景知识：普通函数都是跨文件可见的，即在文件 a.c 中定义的函数可以在 b.c 中使用。
静态函数：只能在定义的文件内可见的函数，称为静态函数。
- 静态函数就限制了函数的作用范围为本文件可用
语法：

staitc void f(void) // 在函数头前面增加关键字 static ，使之成为静态函数
{
    // 函数体
}

要点：
- 静态函数主要是为了缩小函数的可见范围，减少与其他文件中重名函数冲突的概率。
- 静态函数一般被定义在头文件中，然后被各个源文件包含。

内联函数

背景知识：当一个函数被调用的时候，进程会发生一个上下文切换的过程，而上下文切换是需要占用一定的执行时间的。
- - 如果执行的函数功能比较简单，所占用的执行时间较少并该函数会被多次重复地调用(成为一个热点代码)

inline void f(void) // 在函数头前面增加关键字 static ，使之成为静态函数
{
    // 函数体
}

递归函数

递归概念：如果一个函数内部，包含了对自身的调用，则该函数称为递归函数。
- 一般递归的过程中会让问题的规模逐步缩小，缩小到能直接给出结果的情况下进行回归（返回）
递归问题：
- 阶乘。
- 幂运算。
- 字符串翻转。
要点：
- 只有能被表达为递归的问题，才能用递归函数解决。
- 递归函数必须有一个可直接退出的条件，否则会进入无限递归最终会因为栈内存溢出导致段错误。
- 递归函数包含两个过程，一个逐渐递进的过程，和一个逐渐回归的过程。

打怪实战

尝试使用递归函数的思路把一个给定的字符串进行翻转输出

思路提示：递进寻找字符串的末尾标记，找到后开始回归

回调函数（钩子函数）

概念：函数实现方不调用该函数，而由函数接口提供方间接调用的函数，称为回调函数。
示例：系统中的信号处理，是一个典型的利用回调函数的情形。

要点：
- 示例中函数 sighandler 是回调函数。
- signal() 将函数回调函数传递给内核，使得内核可以在恰当的时机回调 sighandler。
- 应用开发者和内核开发者只要约定好回调函数的接口，即可各自开发，进度互不影响。

打怪练习：

- 使用递归函数实现一下两个操作：
  - 用户输入一个整型值函数返回该整型值的阶乘
  - 用户输入两个整型值，分别为底数和指数，该函数返回底数的幂次方结果

输入： 35 输出： 35的阶乘是：.... 输入： 5 6 输出： 5的6次方是：....

- 尝试使用函数封装继续完成课堂上歌词分割的函数要求
  - 函数头： int StrTok( const char * src , const char * dlime , char (* dest) [ 100 ] )
- 【拓展】完成笔试题中遇到的字符串压缩的操作比如：

函数头：int Compress( const char * src  , char * dest );
输入： Heeello  apppppleeee
压缩后输出： 1H2e2l1o1 1a5p1l1e4e

三、作用域与存储期

基本概念

C语言中，标识符（变量、函数..）都有一定的可见范围，这些可见范围保证了标识符只能在一个有限的区域内使用，这个可见范围，被称为作用域（scope）。

软件开发中，尽量缩小标识符的作用域是一项基本原则，一个标识符的作用域超过它实际所需要的范围时，就会对整个软件的命名空间造成污染，导致一些不必要的名字冲突和误解。

函数声明作用域

概念：在函数的声明式中定义的变量，其可见范围仅限于该声明式。
示例：

void func(int fileSize, char *fileName);
void func(int , char *);  // 函数声明只需要说明参数的列表以及返回值类型即可，因此变量的名字是可以省略

要点：
- 变量 fileSize 和 fileName 只在函数声明式中可见。
- 变量 fileSize 和 fileName 可以省略，但一般不这么做，它们的作用是对参数的注解。

局部作用域

概念：在代码块中定义的变量，其可见范围从其定义处开始，到代码块结束为止。
示例：

int main()
{
    int a=1;
    int b=2;     // 变量 c 的作用域是第4行到第9行
    {
        int c=4;
        int d=5; // 变量 d 的作用域是第7行到第8行
        int a = 100;
    }
}

要点：
- 代码块指的是一对花括号 { } 括起来的区域。
- 代码块可以嵌套包含，外层的标识符会被内嵌的同名标识符临时掩盖变得不可见。
- 代码块作用域的变量，由于其可见范围是局部的，因此被称为局部变量。

全局作用域

概念：在代码块外定义的变量，其可见范围可以跨越多个文件。
示例：

// 文件：a.c
int global = 888; // 变量 global 的作用域是第2行到本文件结束
int main()
{
    
}
void f()
{ 
}

// 文件：b.c
extern int global; // 声明在 a.c 中定义的全局变量，使其在 b.c 中也可见
void f1()
{
}
void f2()
{
}

要点：
- 代码块指的是一对花括号 { } 括起来的区域。
- 代码块可以嵌套包含，外层的标识符会被内嵌的同名标识符临时掩盖变得不可见。
- 代码块作用域的变量，由于其可见范围是局部的，因此被称为局部变量。

作用域的临时掩盖

如果有多个不同的作用域相互嵌套，那么小范围的作用域会临时 “遮蔽” 大范围的作用域中的同名标识符，被 “遮蔽” 的标识符不会消失，只是临时失去可见性。

示例代码：

int a = 100;

// 函数代码块1
int main(void)
{
    printf("%d\n", a); // 输出100
    int a = 200;
    printf("%d\n", a); // 输出200
   
    // 代码块2 
    {
        printf("%d\n", a); // 输出200
        int a = 300;
        printf("%d\n", a); // 输出300
    }
    printf("%d\n", a); // 输出200
}

void f()
{
    printf("%d\n", a); // 输出100
}

static关键字

C语言的一大特色，是相同的关键字，在不同的场合下，具有不同的含义。static关键字在C语言中有两个不同的作用：

将可见范围设定为标识符所在的文件(缩小可见范围)：

- 修饰全局变量：使得全局变量由原来的跨文件可见，变成仅限于本文件可见。
- 修饰普通函数：使得函数由原来的跨文件可见，变成仅限于本文件可见。

将存储区域设定为数据段：

- 修饰局部变量：使得局部变量由原来存储在栈内存，变成存储在数据段。

示例：

       int a; // 普通全局变量，跨文件可见
static int b; // 静态全局变量，仅限本文件可见

void f1()        // 普通函数，跨文件可见
{}

static void f2() // 静态函数，仅限本文件可见
{}

int main()
{
           int c; // 普通局部变量，存储于栈内存
    static int d; // 静态局部变量，存储于数据段
}

基本概念

C语言中，变量都是有一定的生存周期的，所谓生存周期指的是从分配到释放的时间间隔。为变量分配内存相当于变量的诞生，释放其内存相当于变量的死亡。从诞生到死亡就是一个变量的生命周期。

根据定义方式的不同，变量的生命周期有三种形式：

1. 自动存储期 --> 栈

2. 静态存储期 --> 数据段

3. 自定义存储期 --> 堆

自动存储期

在栈内存中分配的变量，统统拥有自动存储期，因此也都被称为自动变量。这里自动的含义，指的是这些变量的内存管理不需要开发者操心，都是全自动的：在变量定义处自动分配，出了变量的作用域 { 变量所处的大括号 } 后自动释放。

以下三个概念是等价的：
- 自动变量：从存储期的角度，描述变量的时间特性。
- 临时变量：同上。
- 局部变量：从作用域的角度，描述变量的空间特性。

可以统一把它们称为栈变量，下面是示例代码：

int main()
{
    int a, b;     // 自动存储期
    static int c;  // 【数据段】 静态存储期
    
    f(a, b);
}

void f(int x, int y) //  x , y 自动存储期
{
}

静态存储期

在数据段中分配的变量，统统拥有静态存储期，因此也都被称为静态变量。这里静态的含义，指的是这些变量的不会因为程序的运行而发生临时性的分配和释放，它们的生命周期是恒定的，跟整个程序一致。

静态变量包含：

全局变量：不管加不加 static，任何全局变量都是静态变量。

static 型局部变量。

示例代码：

int g1;        // 静态存储期
static int g2; // 静态存储期

int main()
{
    int a, b;
    static int c; // 静态存储期
}

注意1：
- 若定义时未初始化，则系统会将所有的静态数据自动初始化为0 .bss
- 静态数据初始化语句，只会执行一遍。
- 静态数据从程序开始运行时便已存在，直到程序退出时才释放。
注意2：
- static修饰局部变量：使之由栈内存临时数据，变成了静态数据,存储于数据段中
- static修饰全局变量：使之由各文件可见的静态数据，变成了本文件可见的静态数据。

自定义存储期

在堆中分配的变量，统统拥有自定义存储期，也就是说这些变量的分配和释放，都是由开发者自己决定的。由于堆内存拥有高度自治权，因此堆是程序开发中用得最多的一片区域。

相关API：
- 申请堆内存：malloc() / calloc() / realloc () / reallocarray()
- 清零堆内存：bzero()
- 释放堆内存：free()

示例：

int *p = malloc(sizeof(int)); // 申请1块大小为 sizeof(int) 的堆内存
bzero(p, sizeof(int));        // 将刚申请的堆内存清零

*p = 100; // 将整型数据 100 放入堆内存中
free(p);  // 释放堆内存

// 申请3块连续的大小为 sizeof(double) 的堆内存
double *k = calloc(3, sizeof(double));

k[0] = 0.618;
k[1] = 2.718;
k[2] = 3.142;
free(k);  // 释放堆内存

注意：
- malloc()申请的堆内存，默认情况下是随机值，一般需要用 bzero() 来清零。
- calloc()申请的堆内存，默认情况下是已经清零了的，不需要再清零。
- free()只能释放堆内存，不能释放别的区段的内存。
释放内存的含义：
- 释放内存意味着将内存的使用权归还给系统。
- 释放内存并不会改变指针的指向。(出现了野指针)
- 释放内存并不会对内存做任何修改，更不会将内存清零。