Основы алгоритмизации и программирования. Лекция 9

Содержание лекции
Функции. Простые функции
Передача аргументов в функции
Значения, возвращаемые функцией
Ссылки на аргументы
Перегруженные функции
Вопросы из теста

Что такое функция?
Функция – это именованное объединение группы операторов, которое может быть вызвано из других частей программы.
Основная причина использования функций: необходимость структурировать программу.
Концепция функций появилась из-за стремления разработчиков сократить размер программного кода.
Код функции хранится только в одной области памяти

Что такое функция?

Простые функции
void starline() {
for (int i=0; i<50; i++)
cout << "*"; cout << endl;
}
int main(){
starline();
cout << "Username: Test User" << endl;
starline();
cout << "Password: ******" << endl;
starline();
}

Объявление функции
Как и переменные, функции нельзя использовать до указания необходимых атрибутов. Есть два способа описать функцию:
Объявить функцию (прототип)
Определить функцию
Синтаксис объявления функции в общем виде:
(
);
void starline();

Пример
void starline();
int main(){
starline();
cout << "Username: Test User" << endl;
starline(); cout << "Password: ******" << endl;
starline();
}
void starline() {
// ...
}

Пример
**************************************************
Username: Test User
**************************************************
Password: ******
**************************************************

Определение функции
Определение функции состоит из заголовка и тела функции.
Заголовок функции должен соответствовать её прототипу.

Определение без объявления
Объявление функции (прототип) может отсутствовать, если определение функции происходит раньше, чем первый её вызов.
Такой подход удобен в небольших программах.
Теряется гибкость работы с функциями: в крупных проектах используется множество функций и разработчик вынужден следить за их местоположением в коде.
Неприменимо, если в проекте принято располагать функцию main() первой.

Передача аргументов
Аргумент – единица данных, передаваемая программой в функцию.
Аргументы позволяют функции оперировать различными значениями или выполнять различные действия в зависимости от переданных ей значений.

Передача констант в функцию
void repchar(char, int);
int main(){
repchar('-', 30);
cout << "Username: Test User" << endl;
repchar('+', 30);
cout << "Password: ******" << endl;
repchar('-', 30);
}
void repchar(char symbol, int n) {
for (int i=0; i
cout << symbol;
cout << endl;
}

Передача констант в функцию
------------------------------
Username: Test User
++++++++++++++++++++++++++++++
Password: ******
------------------------------

Передача аргументов
Два правила:
Важно соблюдать порядок следования аргументов
Типы аргументов в объявлении и определении должны быть согласованы.
Переменные, используемые внутри функции для хранения значений аргументов, называются параметрами.

Передача значений переменных
void repchar(char symbol, int n);
int main(){
char symbol_in;
int n_in;
cout << "Enter symbol: ";
cin >> symbol_in;
cout << "Enter n: ";
cin >> n_in;
repchar(symbol_in, n_in);
}
Enter symbol: !
Enter n: 10
!!!!!!!!!!

Передача аргументов по значению
void square(int x) {
x = x*x;
}
int main(){
int x = 100;
cout << x << endl; // 100
square(x);
cout << x << endl; // ???
}

Прототипы
float calc_dist(int, int, int, int); // Not bad!
float calc_dist(int x1, int y1, int x2, int y2); // Better!
// You can use different names in definition
float calc_dist(int px1, int py1, int px2, int py2){
// ...
}

Возвращаемое значение
Для того, чтобы вернуть вызывающей программе значение используется оператор return
float calc_dist(int x1, int y1, int x2, int y2) {
float dist = sqrt(pow(x2 - x1, 2) + pow(y2 - y1, 2));
// Return value to main program
return dist;
}

Возвращаемое значение
int main(){
int x1=1, y1=1;
int x2=0, y2=-1;
float dist1 = calc_dist(0, 0, x1, y1);
float dist2 = calc_dist(0, 0, x2, y2);
if (dist1 < dist2 )
cout << "Point 1 closer to (0,0)\n";
else
cout << "Point 2 closer to (0,0)\n";
}

Возвращаемое значение
float calc_dist(int x1, int y1, int x2, int y2) {
float dist = sqrt(pow(x2 - x1, 2) + pow(y2 - y1, 2));
cout << &dist << endl; // 0x61fecc
return dist;
}
int main(){
// ...
float dist1 = calc_dist(0, 0, x1, y1);
cout << &dist1 << endl; // 0x61fefc
// ...
}

Возвращаемое значение
Количество аргументов функции может быть произвольным, но возвращаемое значение – всегда только одно.
Есть способы, позволяющие возвращать несколько значений, один из них – передача аргументов по ссылке.
Всегда нужно указывать тип значения, возвращаемого функцией или void, если функций ничего не возвращает.
Функция без указания возвращаемого типа должна вернуть int.

Ссылки на аргументы
Ссылка является псевдонимом, или альтернативным именем переменной.
Наиболее важное применение ссылок – передача аргументов в функции.
При передаче аргументов по значению функция не имеет доступа к переменным-аргументам, а работает с их копиями.
При передаче аргументов по ссылке функция получает не копию значения переменной, а ссылку на эту переменную.

Ссылки на аргументы
void increment(int& number) {
number = number + 1;
}
int main(){ int a = 100;
increment(a);
increment(a);
increment(a);
cout << "a = " << a << endl; // a = 103
}

Пример
void swap(int&, int&);
int main(){
int a = 101, b = 202;
swap(a, b); // No &!
cout << "a = " << a << "; b = " << b << endl;
// a = 202; b = 101
}
void swap(int& x, int& y) {
int temp;
temp = x; x = y; y = temp;
return;
}

Передача по указателю
void swap(int* x, int* y) {
int temp = *x; *x = *y; *y = temp;
return;
}
int main(){
int a = 101, b = 202;
swap(&a, &b); // With &!
cout << "a = " << a << "; b = " << b << endl;
// a = 202; b = 101
}

Что получим?
void swap(int* x, int* y) {
int* temp; temp = x; x = y; y = temp;
return;
}
int main(){
int a = 101, b = 202;
swap(&a, &b);
cout << "a = " << a << "; b = " << b << endl; // ???
}

Передача указатель/по ссылке
Передача указателя в функцию в качестве аргумента похожа на передачу по ссылке.
Но механизмы различны: ссылка – это псевдоним переменной, а указатель – адрес переменной.

Передача массивов
void degrees2radians(int length, float arr[]) {
for (int i = 0; i < length; i++)
arr[i] *= 0.0174533;
}
int main(){
float degrees[] = {0, 90, 180, 270};
int length = sizeof(degrees) / sizeof(float);
degrees2radians(length, degrees); // No &!
for (int i = 0; i < length; i++)
cout << degrees[i] << " ";
// 0 1.5708 3.14159 4.71239
}

Передача массивов
void degrees2radians(int length, float arr[]) {
cout << arr << endl; // 0x61fef4
// ...
}
int main(){
float degrees[] = {0, 90, 180, 270};
cout << degrees << endl; // 0x61fef4
degrees2radians(length, degrees);
// ...
}

Немного сложнее
void print_matrix(int matrix[][], int m_size) {
for (int i = 0; i < m_size; i++)
for (int j = 0; j < m_size; j++)
cout << setw(4) << matrix[i][j] << " ";
cout << endl;
}
int main() {
int matrix_size = 3;
int matrix[matrix_size][matrix_size] = {
{1, 2, 3}, {4, 5, 6}, {7, 8, 9}
};
print_matrix(matrix, matrix_size);
}

Немного сложнее
void print_matrix(int matrix[3][3], int m_size) {
for (int i = 0; i < m_size; i++)
for (int j = 0; j < m_size; j++)
cout << setw(4) << matrix[i][j] << " ";
cout << endl;
}
int main() {
const int matrix_size = 3;
int matrix[matrix_size][matrix_size] = {
{1, 2, 3}, {4, 5, 6}, {7, 8, 9}
};
print_matrix(matrix, matrix_size);
}

Объявление функции с аргументами в виде массива
Можно использовать следующие форматы объявления:
void print_matrix(int matrix[3][3], int m_size)
void print_matrix(int matrix[][3], int m_size)
void print_vector(int vector[3], int v_size)
void print_vector(int vector[], int v_size)
Но не:
void print_matrix(int matrix[3][], int m_size)
void print_matrix(int matrix[][], int m_size)

Почему?

Передача массивов: указатели
void degrees2radians(int length, float* arr) {
for (int i = 0; i < length; i++)
arr[i] *= 0.0174533;
}
int main(){
float degrees[] = {0, 90, 180, 270};
int length = sizeof(degrees) / sizeof(float);
degrees2radians(length, degrees); // No &!
for (int i = 0; i < length; i++)
cout << degrees[i] << " ";
// 0 1.5708 3.14159 4.71239
}

Передача массивов: указатели
void degrees2radians(int length, float* arr) {
for (int i = 0; i < length; i++)
arr[i] *= 0.0174533;
}
int main() {
// ... Get number of items
float* degrees = new float[length];
// ... Fill array
degrees2radians(length, degrees);
for (int i = 0; i < length; i++)
cout << degrees[i] << " ";
// 0 1.5708 3.14159 4.71239
}

Немного сложнее
void print_matrix(int* matrix[], int m_size) {
for (int i = 0; i < m_size; i++)
for (int j = 0; j < m_size; j++)
cout << setw(4) << matrix[i][j] << " ";
cout << endl;
}
int main() {
int m_size = 3;
int** matrix = new int*[m_size];
for (int i = 0; i < m_size; i++)
matrix[i] = new int[m_size];
print_matrix(matrix, m_size);
// ... Clear memory
}

Немного сложнее
void print_matrix(int** matrix, int m_size) {
for (int i = 0; i < m_size; i++)
for (int j = 0; j < m_size; j++)
cout << setw(4) << matrix[i][j] << " ";
cout << endl;
}
int main() {
int m_size = 3;
int** matrix = new int*[m_size];
for (int i = 0; i < m_size; i++)
matrix[i] = new int[m_size];
print_matrix(matrix, m_size);
// ... Clear memory
}

Перегрузка функций
Перегруженная функция выполняет различные действия, зависящие от типов данных, передаваемых ей в качестве аргументов.
Популярный пример-сравнение: анекдот про термос.

Пример
void starline() {
for (int i=0; i<50; i++)
cout << "*";
cout << endl;
}
void repchar(char symbol, int n) {
for (int i=0; i
cout << symbol;
cout << endl;
}
void charline(char symbol) {
for (int i=0; i<50; i++)
cout << symbol;
cout << endl;
}

Перегрузка функций
Очевидный недостаток: разработчику нужно запомнить все имена функций и различия между действиями, выполняемыми функциями.
Решение: использование перегрузки. Очевидно, что использовать одно и то же имя было бы гораздо удобнее.

Улучшенная версия примера
void repchar() {
for (int i=0; i<50; i++)
cout << "*";
cout << endl;
}
void repchar(char symbol) {
for (int i=0; i<50; i++)
cout << symbol;
cout << endl;
}
void repchar(char symbol, int n) {
for (int i=0; i
cout << symbol;
cout << endl;
}

Улучшенная версия примера
int main() {
repchar();
repchar('#’);
repchar('$', 15);
// **************************************************
// ##################################################
// $$$$$$$$$$$$$$$
return 0;
}

Как это работает?
Довольно просто: с помощью сигнатуры функции, которая позволяет различать между собой функции по количеству аргументов и их типам.
repchar();
repchar('#’);
repchar('$', 15);
Компилятор, обнаружив несколько функций с одинаковыми именами, позволяет корректно обработать все определения функций и их вызовы.

Различные типы аргументов
void print(int i) {
cout << "It is an int: " << i << endl;
}
void print(double f) {
cout << "It is a float: " << f << endl;
}
void print(char const *c) {
cout << "It is a char*: " << c << endl;
}

Пример
int main() {
print(10);
print(101.11);
print("Hello World");
// It is an int: 10
// It is a float: 101.11
// It is a char*: Hello World
return 0;
}

Рекурсия
Рекурсия – это средство программирование, позволяющее функции вызывать саму себя на выполнение.
Самые популярные примеры: вычисление факториала, нахождение чисел Фибоначчи, вычисление N-го элемента какой-либо последовательности.

Простейший пример
unsigned long fact(unsigned long n) {
if (n > 1)
return n * fact(n - 1);
else
return 1;
}
int main() {
cout << fact(10);
// 3628800
}

Простейший пример
int fact(int n) {
if (n > 1)
return n * fact(n-1);
else
return 1;
}

Рекурсия

Рекурсия
Каждая рекурсия должна включать в себя условие окончания рекурсии.
В противном случае рекурсия будет происходить бесконечно, что приведет к аварийному завершению программы.
В некоторых случаях рекурсия может привести к исчерпанию оперативной памяти, особенно, если речь идет о большом количестве вложенных вызовов.

Еще один пример
// 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144
int fib(int n) {
if (n <= 1)
return n;
return fib(n-1) + fib(n-2);
}
int main() {
cout << fib(15);
// 610
}

Встраиваемые функции
Использование функций является экономичным с точки зрения использования памяти, т.к. вместо дублирования используется механизм вызовов функции.
Однако, кроме экономии памяти, использование функций увеличивает время выполнения программ: необходимо время на выполнение команды перехода в функцию и команду перехода на оператор, следующий после вызова функции.

Встраиваемые функции

Когда использовать?
Обычно встраиваемые функции представляют собой небольшой фрагмент кода.
В этом случае дополнительные инструкции, необходимые для вызова функции, могут занять столько же памяти, сколько занимает код самой функции. Экономия памяти превращается в дополнительный расход.
Очевидное решение: вставлять повторяющиеся последовательности операторов (тело функции) там, где это необходимо.

Когда использовать?
Неочевидное решение: использовать встраиваемые функции (inline functions).
Отличие встраиваемых функций от обычных заключается в том, что исполняется код таких функций вставляется (встраивается) в исполняемый код программы.
Главное преимущество: код программы остается организованным, при этом производительность не «проседает».

Пример
inline void starline() {
for (int i=0; i<50; i++)
cout << "*"; cout << endl;
}
int main(){
starline();
cout << "Username: Test User" << endl;
starline();
cout << "Password: ******" << endl;
starline();
}

Встраиваемые функции
Важно: ключевое слово inline является рекомендацией компилятору, которая может быть проигнорирована.
В случае игнорирования, функция будет скомпилирована как обычная. Например, если компилятор посчитает функцию слишком длинной для того, чтобы делать ее встраиваемой.

Аргументы по умолчанию
В C++ можно организовать функцию так, чтобы ее можно было вызвать вообще не указывая при этом никаких аргументов.
Для этого используются значения аргументов по умолчанию.

Улучшенная версия примера
void repchar() {
for (int i=0; i<50; i++)
cout << "*";
cout << endl;
}
void repchar(char symbol) {
for (int i=0; i<50; i++)
cout << symbol;
cout << endl;
}
void repchar(char symbol, int n) {
for (int i=0; i
cout << symbol;
cout << endl;
}

Улучшенная версия примера
void repchar(char symbol='*', int n=50) {
for (int i=0; i i++)
cout << symbol;
cout << endl;
}
int main() {
repchar();
repchar('#’);
repchar('$', 10);
// **************************************************
// #################################################
// $$$$$$$$$$
}

Улучшенная версия примера
void repchar(char symbol='*', int n=50);
int main() {
repchar();
repchar('#’);
repchar('$', 10);
}
void repchar(char symbol, int n) {
for (int i=0; i
cout << symbol;
cout << endl;
}

Аргументы по умолчанию
Опускать при вызове можно только аргументы, стоящие в конце списка при объявлении функции.
Например: можно не указать три последних аргумента, но нельзя одновременно пропустить предпоследний аргумент и указать последний.
Нельзя пропускать аргументы, для которых не указано значение аргумента по умолчанию.

Область видимости и класс памяти
Два аспекта, касающихся взаимодействия переменных и функций:
Область видимости
Класс памяти.
Область видимости определяет из каких частей программы возможен доступ к переменной, а класс памяти – время, в течение которого переменная существует в памяти компьютера.

Типы области видимости
Три типа области видимости:
Локальная область видимости
Область видимости файла
(Область видимости класса)
Переменные, имеющие локальную область видимости, доступны внутри блока ({}), в котором они определены.
Переменные, имеющие область видимости файла, доступны из любого места файла.

Классы памяти
Существует два класса памяти: automatic (автоматический) и static (статический).
У переменных первого класса время жизни равно времени жизни функции, внутри которой они определены.
У переменных второго класса время жизни равно времени жизни всей программы.

Локальные переменные
Переменные, определяемые внутри функции (включая функцию main), называются локальными, поскольку их область видимости ограничивается этой функцией.
Такие переменные также иногда называются автоматическими, поскольку они имеют класс памяти static.

Локальные переменные
Создаются и уничтожаются при входе и выходе из функции соответственно.
Компилятор не инициализирует локальные переменные. Они имеют неопределенное значение.
Использование таких переменных позволяет обеспечить модульность и организованность программы.

Глобальные переменные
Глобальные переменные определяются вне каких-либо функций (а также вне классов).
Глобальные переменные видимы из всех функций данного файла (определенных позже, чем сама переменная) и, потенциально, из других файлов.
Иногда глобальные пременные также называют внешними.
Если нет явной инициализации, компилятор во время создания переменной присвоит ей значение 0.

Глобальные переменные
Глобальные переменные имеют статический класс памяти, что означение их существование в течение всего времени выполнения программы.
Память под эти переменные выделяется в начале выполнения программы и закрепляется до завершения программы.
Не обязательно использовать ключевое слово static, т.к. они и имеют статический класс памяти.

Статические переменные
Существует два вида статических переменных:
Статические локальные переменные
Статические глобальные переменные
Статическая локальная переменная имеет такую же область видимости, как и автоматическая: функция, к которой принадлежит переменная.
Время жизни такой переменной совпадает со временем жизни глобальной переменной, но существование начинается при первом вызове функции.

Пример
float get_avg(float new_number) {
static float total = 0;
static int count = 0;
count++; total += new_number;
return total/count;
}
int main() {
float number = 1;
while(number) {
cout << "Enter the number: ";
cin >> number;
cout << "Average: " << get_avg(number) << endl;}
}

Область видимости/Класс памяти

Возвращение значения по ссылке
В функции можно не только передавать аргументы с помощью ссылок, но также можно возвращать значение функции по ссылке.
Одна из причин использования такого ссылочного механизма – необходимость избежать копирования объектов большого размера.
Другая причина – использование функции в качестве левого операнда операции присваивания.

Пример
int x;
int& setx();
int main() {
setx() = 92;
cout << "x = " << x << endl;
// x = 92
return 0;
}
int& setx() {
return x;
}

Возвращение значения по ссылке
Вызов функции интерпретируется как значение, получаемое при его выполнении:
у = squareroot(x);
Вызов функции интерпретируется как переменная (возврат ссылки = возврату псевдонима для переменной в return):
setx() = 92;

Еще примеры
int x;
int& setx();
int main() {
setx() = 92;
cout << "x = " << x << endl;
return 0;
}
int& setx() {
return 33;
}
int x;
int& setx();
int main() {
setx() = 92;
cout << "x = " << x << endl;
return 0;
}
int& setx() {
int y = 33;
return y;
}

Зачем всё это?
В процедурном программирование существует очень мало задач, в которых может понадобиться возвращать значение по ссылке.
Иногда используется при перегрузке операций.

Константные аргументы функции
void aFunc(int& a, const int& b);
int main() {
int alpha = 7, beta = 11;
aFunc(alpha, beta);
}
void test_func(int& a, const int& b) {
a = 107;
b = 111; // Error!
}

Пример вопроса на экзамене
Значение аргумента по умолчанию:
Может использоваться вызывающей программой
Может использоваться функцией
Должно быть константой
Должно быть значением переменной

Пример вопроса на экзамене
Каков результат работы этой программы?

Пример задачи на экзамене
Написать функцию, которая принимает количество секунд, переводит их формат <сутки> <часы> <минуты> <секунды> и выводит на экран.
Предусмотреть валидацию входных данных.
Программа должна запрашивать новое количество секунд до тех пор, пока пользователь не введет N.
Программа должна пропускать пустые единицы, например: 5 часов (а не 0 суток 5 часов…)