【C++養成計劃】深入淺出——函數（Day6）

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上一篇：【C++養成計劃】控制程序流程——判斷與循環（Day5）
昨天，我們學習了C++程序中的兩大控制流程：判斷和循環。今天，我們來學習編程語言中一個很重要的知識板塊：函數。

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1. 初識函數

一說到函數，對於編程小白，可能首先聯想到的是數學中的函數公式：$y=f(x)$。其實呢？C++函數與數學函數式子是有一些相通之處，比如，它們一般都有着輸入和輸出；函數式中的映射關係，對應到C++函數中就是一種邏輯關係。
不同的是，在C++中，函數是一組一起執行一個任務的語句。每個 C++ 程序都至少有一個函數，即主函數 main() ，並且程序從主函數處開始執行。具體可參見：【C++養成計劃】基本語法（Day2）。

(1) 爲何需要函數

其實，對於小型的應用程序來說，完全可以使用main()實現所有功能。但是當程序越來越大，越來越複雜時，若想要main()中的代碼依然保持簡潔、邏輯清晰易讀，就必須使用函數了。
函數能夠很好地劃分和組織程序的執行邏輯。通過使用函數，可以將原本複雜冗長的程序劃分爲依次調用的程序塊。

(2) 函數定義

在C++ 中，函數定義的一般形式如下：

return_type function_name（parameter list）
{
	函數主體
}

由此可知，函數主要有如下4個組成部分：

1. 返回類型 return_type。是指函數返回值的數據類型，一個函數可以返回一個值。有些函數只執行某些操作不返回值，那麼返回類型要設置爲viod。
2. 函數名稱 function_name。就是函數的名字，由我們自己設定，在調用函數時用到。
3. 參數列表 parameter list。參數就像是佔位符。當函數被調用時，你向參數傳遞一個值，這個值被稱爲實際參數。參數列表包括函數參數的類型、順序、數量。參數是可選的，也就是說，函數也可以不包含參數。
4. 函數主體。是函數的主體結構，由執行一個任務的若干語句構成。

下面舉一個簡單的例子，用函數實現：計算圓形的面積

#include<iostream>
using namespace std;

const double Pi =3.14;
//定義Area_circle函數，實現對圓求面積
double Area_circle(double r)
{
	return Pi*r*r;  //返回圓的面積 
}

int main()
{
	cout<<"請輸入圓形的半徑radius:";
	double radius=0; //初始化半徑 
	cin>>radius;     //輸入半徑 
	cout<<"該圓的面積是："<<Area_circle(radius)<<endl;
	return 0;
} 

運行結果如下：

(3) 函數聲明

函數聲明會告訴編譯器函數名稱及如何調用函數。函數聲明包括以下幾個部分：

return_type function_name（parameter list）;//函數聲明

很容易看出，函數的聲明和上面函數定義中的函數頭一致，不同的是，句末要加上一個分號。因此，針對上面計算圓形的面積的例子，Area_circle()函數聲明形式如下：

double Area_circle(double r);

在函數聲明中，參數的名稱並不重要，只有參數的類型是必需的，因此下面也是有效的聲明：

double Area_circle(double);

函數聲明最常用的兩種情形：

1. 若函數實現在mian()函數之後，當main()中需要調用該函數時，我們需要程序中main()前的位置提前聲明該函數。我們還是以計算圓形的面積爲例：

#include<iostream>
using namespace std;

const double Pi =3.14;
double Area_circle(double r); //函數聲明 

int main()
{
	cout<<"請輸入圓形的半徑radius:";
	double radius=0; //初始化半徑 
	cin>>radius;     //輸入半徑 
	cout<<"該圓的面積是："<<Area_circle(radius)<<endl;
	return 0;
} 

double Area_circle(double r)
{
	return Pi*r*r;  //返回圓的面積 
}

2. 當你在一個源文件中定義函數且在另一個文件中調用函數時，函數聲明是必需的。在這種情況下，你應該在調用函數的文件頂部聲明函數。

(4) 函數調用

創建 C++ 函數時，會定義函數做什麼，然後通過調用函數來完成已定義的任務。
調用函數時，傳遞所需參數，如果函數返回一個值，則可以存儲該函數返回的值。我們還是以計算圓形的面積爲例：

#include<iostream>
using namespace std;

const double Pi =3.14;
double Area_circle(double r); //函數聲明 

int main()
{
	cout<<"請輸入圓形的半徑radius:";
	double radius=0,area=0; //初始化半徑 、面積 
	cin>>radius;     //輸入半徑 
	area=Area_circle(radius);  //將函數的返回值給area 
	cout<<"該圓的面積是："<<area<<endl;
	return 0;
} 

double Area_circle(double r)
{
	double S=Pi*r*r;  //就算圓的面積 
	return S;  //返回面積S 
}

運行結果：

(5) 形參與實參

如果函數要使用參數，則必須聲明接受參數值的變量。這些變量稱爲函數的形式參數。
形式參數就像函數內的其他局部變量，在進入函數時被創建，退出函數時被銷燬。
比如，前面講到的函數定義和函數聲明中的參數列表中的變量就是形參。
當調用函數時，我們需要用到實參。在調用函數的過程中，編譯器會自動將實參傳遞給形參，然後執行函數體。

2. 帶默認值的參數

在前面計算圓形的面積是例子中，我們將Pi聲明爲常量，因此後面就不能對其進行修改了。那麼，當我們希望得到更高或更低的精度時，就不能爲力了。爲了解決這種問題，我們可以給函數Area_circle()新增一個表示Pi的參數，並將其設置爲默認值。比如：

double Area_circle(double r, double Pi=3.14);

注意，第二個參數Pi的默認值是3.14。對調用者來說，這個參數是可選的，因此仍可使用下面的語句來調用Area_circle()：

Area_circle(radius); //這裏省略了第二個參數，因此將使用默認值Pi=3.14

如果，我們想得到更高的精度。在調用函數時，可以提供Pi的值，指定要實際要用的Pi值。指定的Pi值會覆蓋默認值。比如：

Area_circle(radius, 3.1416); //指定Pi=3.1416，替代原來的默認值

下面，仍以計算圓形的面積爲例，演示如何編寫包含默認值的函數。

#include<iostream>
using namespace std;

double Area_circle(double r, double Pi=3.14); //函數聲明 
int main()
{
	cout<<"請輸入圓形的半徑radius:";
	double radius=0,area=0; //初始化半徑 、面積 
	cin>>radius;     //輸入半徑 
	area=Area_circle(radius);  //將函數的返回值給area 
	cout<<"使用默認值Pi，該圓的面積是："<<area<<endl;
	
	area=Area_circle(radius, 3.1416);
	cout<<"指定Pi=3.1416後，該圓的面積是："<<area<<endl;
	return 0;
} 

double Area_circle(double r, double Pi)
{
	double S=Pi*r*r;  //就算圓的面積 
	return S;  //返回面積S 
}

運行結果：

3. 遞歸函數

在有些情況下，可讓函數調用它自己，這樣的函數稱爲遞歸函數。遞歸函數必須有明確的退出條件，滿足這種條件後，函數將返回，而不再調用自己。
在計算斐波那契數列時，遞歸函數很有用。
Fibonacci數列的遞推公式爲：Fn=Fn-1+Fn-2，其中F1=F2=1。
使用遞歸函數實現如下：

#include <iostream>
using namespace std;

int Fibonacci(int n)   //Fibonacci數列函數 
{
	if(n==1||n==2)
		return 1;
	else
		return Fibonacci(n-1)+Fibonacci(n-2);
}

int main()
{
	int n=0;
	cin>>n;
	cout<<Fibonacci(n);  //輸出Fibonacci數列第n個數 
	return 0;
}

4. 使用函數處理不同類型的數據

並不是每次只能給函數傳遞一個值，還可以將數組等傳遞給函數。這樣可在函數中操縱更多的數據和參數。

(1) 函數重載

名稱和返回類型相同，但是參數不同的函數被稱爲重載函數。
在程序中，如果需要使用不同的參數調用具有特定名稱和返回類型的函數，重載函數將很實用。
下面舉個例子，計算圓和圓柱的面積。計算圓面積的函數需要一個參數——半徑r，而計算圓柱面積的函數還需要一個參數——高度h。這兩個函數需要返回的數據類型相同，都是面積。在C++中，我們可以定義兩個重載的函數，它們都叫Area，返回類型都是double，但第一個函數僅接受r爲參數，第二個接受r、h作爲參數。

#include<iostream>
using namespace std;

const double Pi=3.14;
double Area(double r);
double Area(double r, double h);
int main()
{
	int r=0,h=0;
	cout<<"輸入圓柱體的半徑r和高h:";
	cin>>r>>h;
	cout<<"圓的面積是："<<Area(r)<<endl;
	cout<<"圓柱的表面積是："<<Area(r,h);
	return 0; 
}

double Area(double r) //計算圓的面積 
{
	return Pi*r*r; 
}

double Area(double r, double h) //計算圓柱的表面積 
{
	return 2*Area(r)+2*Pi*r*h;
}

運行結果：

(2) 將數組傳遞給函數

顯示一個數組的函數類似於下面這樣：

//第一個參數表示輸入的是數組，第二個參數指出了數組的長度，以免使用數組時越界
void ShowArr(int NumArr[], int length);

下面，舉例顯示整型數組和字符數組中的每個元素：

#include<iostream>
using namespace std;

void ShowArr(int NumArr[], int length)
{
	for(int i=0;i<length;i++)
		cout<<NumArr[i]<<" ";
} 

void ShowArr(char CharArr[], int length)
{
	for(int i=0;i<length;i++)
		cout<<CharArr[i]<<" ";
}

int main()
{
	int Numbers[5]={0,1,2,3,4};
	ShowArr(Numbers, 5);
	cout<<endl;
	char Characters[6]={'H','E','L','L','O','\0'};
	ShowArr(Characters,6);
	return 0;
}

運行結果：

(3) 按引用傳遞參數

有時候，你希望函數修改的變量能在其外部也可用，爲此，可將形參的類型聲明爲引用，下面以Area()函數計算面積爲例，以參數的方式按引用返回它：

void Area(double r, double& result)
{
	result=Pi*r*r;
}

其中符號&，它告訴編譯器，不要將第二個實參複製給函數，而將指向該實參的引用傳遞給函數。
因此，該函數的返回類型是void，因爲該函數不再通過返回值提供計算得到的面積，而是按引用以輸出參數的方式提供它。
下面顯示如何按引用返回圓的面積：

#include<iostream>
using namespace std;

const double Pi=3.14;
void Area(double r, double& result)
{
	result=Pi*r*r;
}

int main()
{
	cout<<"輸入半徑radius：";
	double radius=0;
	cin>>radius;
	double GetResult=0;
	Area(radius,GetResult);
	cout<<"圓的面積是："<<GetResult<<endl;
	return 0;
}

運行結果：