程序设计基石与实践系列之C语言函数指针基础

英文出处：Dennis Kubes:Basics of Function Pointers in C

本文写的非常详细，因为我想为初学者建立一个意识模型，来帮助他们理解函数指针的语法和基础。如果你不讨厌事无巨细，请尽情阅读吧。

函数指针虽然在语法上让人有些迷惑，但不失为一种有趣而强大的工具。本文将从C语言函数指针的基础开始介绍，再结合一些简单的用法和关于函数名称和地址的趣闻。在最后，本文给出一种简单的方式来看待函数指针，让你对其用法有一个更清晰的理解。

函数指针和一个简单的函数

我们从一个非常简单的”Hello World“函数入手，来见识一下怎样创建一个函数指针。

#include <stdio.h>;

// function prototype
void sayHello();

// function implementation
void sayHello() {
  printf("hello world");
}

// calling from main
int main() {
  sayHello();
}

我们定义了一个名为sayHello的函数，它没有返回值也不接受任何参数。当我们在main函数中调用它的时候，它向屏幕输出出”hello world“。非常简单。接下来，我们改写一下main函数，之前直接调用的sayHello函数，现在改用函数指针来调用它。

int main() {
  void (*sayHelloPtr)() = sayHello;
  (*sayHelloPtr)();
}

第二行 void (*sayHelloPtr)()的语法看起来有些奇怪，我们来一步一步分析。

1. 这里，关键字void的作用是说我们创建了一个函数指针，并让它指向了一个返回void（也就是没有返回值）的函数。
2. 就像其他任何指针都必须有一个名称一样，这里sayHelloPtr被当作这个函数指针的名称。
3. 我们用*符号来表示这是一个指针，这跟声明一个指向整数或者字符的指针没有任何区别。
4. *sayHelloPtr两端的括号是必须的，否则，上述声明变成void *sayHelloPtr()，*会优先跟void结合，变成了一个返回指向void的指针的普通函数的声明。因此，函数指针声明的时候不要忘记加上括号，这非常关键。
5. 参数列表紧跟在指针名之后，这个例子中由于没有参数，所以是一对空括号()。
6. 将上述要点结合起来，void (*syaHelloPtr)()的意义就非常清楚了，这是一个函数指针，它指向一个不接收参数且没有返回值的函数。

在上面的第二行代码，即void (*sayHelloPtr)() = sayHello;，我们将sayHello这个函数名赋给了我们新建的函数指针。关于函数名的更多细节我们会在下文中讨论，现在暂时可以将其看作一个标签，它代表函数的地址，并且可以赋值给函数指针。这就跟语句int *x = &myint;中我们把myint的地址赋给一个指向整数的指针一样。只是当我们考虑函数的时候，我们不需要加上一个取地址符&。简而言之，函数名就是它的地址。接着看第三行，我们用代码’(*sayHelloPtr)();·‘解引用并调用了函数指针。

1. 在第二行被声明之后，sayHelloPtr作为函数指针的名称，跟其他任何指针没有差别，能够储值和赋值。
2. 我们对sayHelloPtr解引用的方式也与其他任何指针一样，即在指针之前使用解引用符*，也就是代码中的*sayHelloPtr。
3. 同样的，我们需要在其两端加上括号，即(*sayHelloPtr)，否则它就不被当做一个函数指针。因此，记得声明和解引用的时候都要在两端加上括号。
4. 括号操作符用于C语言中的函数调用，如果有参数参与，就将其放入括号中。这对于函数指针也是相似的，即代码中的(*sayHelloPtr)()。
5. 这个函数没有返回值，也就没有必要将它赋值给任何变量。单独来说，这个调用跟sayHello()没什么两样。

接下来，我们再对函数稍加修改。你会看到函数指针奇怪的语法，以及用调用普通函数的方法来调用赋值后函数指针的现象。

int main() {
  void (*sayHelloPtr)() = sayHello;
  sayHelloPtr();
}

跟之前一样，我们将sayHello函数赋给函数指针。但是这一次，我们用调用普通函数的方法调用了它。稍后讨论函数名的时候我会解释这一现象，现在只需要知道 (*syaHelloPtr)()和syaHelloPtr()是相同的即可。

带参数的函数指针

好了，这一次我们来创建一个新的函数指针吧。它指向的函数仍然不返回任何值，但有了参数。

#include <stdio.h>

// function prototype
void subtractAndPrint(int x, int y);

// function implementation
void subtractAndPrint(int x, int y) {
  int z = x - y;
  printf("Simon says, the answer is: %d\n", z);
}

// calling from main
int main() {
  void (*sapPtr)(int, int) = subtractAndPrint;
  (*sapPtr)(10, 2);
  sapPtr(10, 2);
}

跟之前一样，代码包括函数原型，函数实现和在main函数中通过函数指针执行的语句。原型和实现中的特征标变了，之前的sayHello函数不接受任何参数，而这次的函数subtractAndPrint接受两个int作为参数。它将两个参数做一次减法，然后输出到屏幕上。

1. 在第14行，我们通过’(*sapPtr)(int, int)’创建了sapPtr这个函数指针，与之前的区别仅仅是用(int, int)代替了原来的空括号。而这与新函数的特征标相符。
2. 在第15行，解引用和执行函数的方式与之前完全相同，只是在括号中加入了两个参数，变成了(10, 2)。
3. 在第16行，我们用调用普通函数的方法调用了函数指针。

带参数且有返回值的函数指针

这一次，我们把subtractAndPrint函数改成一个名为subtract的函数，让它把原本输出到屏幕上的结果作为返回值。

#include <stdio.h>

// function prototype
int subtract(int x, int y);

// function implementation
int subtract(int x, int y) {
  return x - y;
}

// calling from main
int main() {
  int (*subtractPtr)(int, int) = subtract;

  int y = (*subtractPtr)(10, 2);
  printf("Subtract gives: %d\n", y);

  int z = subtractPtr(10, 2);
  printf("Subtract gives: %d\n", z);
}

这与subtractAndPrint函数非常相似，只是subtract函数返回了一个整数而已，特征标也理所当然的不一样了。

1. 在第13行，我们通过int (*subtractPtr)(int, int)创建了subtractPtr这个函数指针。与上一个例子的区别只是把void换成了int来表示返回值。而这与subtract函数的特征标相符。
2. 在在第15行，解引用和执行这个函数指针，除了将返回值赋值给了y以外，与调用subtractAndPrint没有任何区别。
3. 在第16行，我们向屏幕输出了返回值。
4. 18到19行，我们用调用普通函数的方法调用了函数指针，并且输出了结果。

这跟之前没什么两样，我们只是加上了返回值而已。接下来我们看看另一个稍微复杂点儿的例子——把函数指针作为参数传递给另一个函数。

把函数指针作为参数来传递

我们已经了解过了函数指针声明和执行的各种情况，不论它是否带参数，或者是否有返回值。接下来我们利用一个函数指针来根据不同的输入执行不同的函数。

#include <stdio.h>

// function prototypes
int add(int x, int y);
int subtract(int x, int y);
int domath(int (*mathop)(int, int), int x, int y);

// add x + y
int add(int x, int y) {
  return x + y;
}

// subtract x - y
int subtract(int x, int y) {
  return x - y;
}

// run the function pointer with inputs
int domath(int (*mathop)(int, int), int x, int y) {
  return (*mathop)(x, y);
}

// calling from main
int main() {

  // call math function with add
  int a = domath(add, 10, 2);
  printf("Add gives: %d\n", a);

  // call math function with subtract
  int b = domath(subtract, 10, 2);
  printf("Subtract gives: %d\n", b);
}

我们来一步一步分析。

1. 我们有两个特征标相同的函数，add和subtract，它们都返回一个整数并接受两个整数作为参数。
2. 在第六行，我们定义了函数int domath(int (*mathop)(int, int), int x, int y)。它第一个参数int (*mathop)(int, int)是一个函数指针，指向返回一个整数并接受两个整数作为参数的函数。这就是我们之前见过的语法，没有任何不同。它的后两个整数参数则作为简单的输入。因此，这是一个接受一个函数指针和两个整数作为参数的函数。
3. 19到21行，domath函数将自己的后两个整数参数传递给函数指针并调用它。当然，也可以像这么调用。mathop(x, y);
4. 27到31行出现了我们没见过的代码。我们用函数名作为参数调用了domath函数。就像我之前说过的，函数名是函数的地址，而且能代替函数指针使用。

main函数调用了两次domath函数，一次用了add，一次用了subtract，并输出了这两次结果。

函数名和地址

既然有约在先，那我们就讨论一下函数名和地址作为结尾吧。一个函数名（或称标签），被转换成了一个指针本身。这表明在函数指针被要求当作输入的地方，就能够使用函数名。这也导致了一些看起来很糟糕的代码却能够正确的运行。瞧瞧下面这个例子。

#include <stdio.h>

// function prototypes
void add(char *name, int x, int y);

// add x + y
void add(char *name, int x, int y) {
  printf("%s gives: %d\n", name, x + y);
}

// calling from main
int main() {

  // some funky function pointer assignment
  void (*add1Ptr)(char*, int, int) = add;
  void (*add2Ptr)(char*, int, int) = *add;
  void (*add3Ptr)(char*, int, int) = &add;
  void (*add4Ptr)(char*, int, int) = **add;
  void (*add5Ptr)(char*, int, int) = ***add;

  // execution still works
  (*add1Ptr)("add1Ptr", 10, 2);
  (*add2Ptr)("add2Ptr", 10, 2);
  (*add3Ptr)("add3Ptr", 10, 2);
  (*add4Ptr)("add4Ptr", 10, 2);
  (*add5Ptr)("add5Ptr", 10, 2);

  // this works too
  add1Ptr("add1PtrFunc", 10, 2);
  add2Ptr("add2PtrFunc", 10, 2);
  add3Ptr("add3PtrFunc", 10, 2);
  add4Ptr("add4PtrFunc", 10, 2);
  add5Ptr("add5PtrFunc", 10, 2);
}

这是一个简单的例子。运行这段代码，你会看到每个函数指针都会执行，只是会收到一些关于字符转换的警告。但是，这些函数指针都能正常工作。

1. 在第15行，add作为函数名，返回这个函数的地址，它被隐式的转换为一个函数指针。我之前提到过，在函数指针被要求当作输入的地方，就能够使用函数名。
2. 在第16行，解引用符作用于add之前，即*add，在返回在这个地址的函数。之后跟函数名一样，它被隐式的转换为一个函数指针。
3. 在第17行，取地址符作用于add之前，即&add，返回这个函数的地址，之后又得到一个函数指针。
4. 18到19行，add不断地解引用自身，不断返回函数名，并被转换为函数指针。到最后，它们的结果都和函数名没有区别。

显然，这段代码不是优秀的实例代码。我们从中收获到了如下知识：其一，函数名会被隐式的转换为函数指针，就像作为参数传递的时候，数组名被隐式的转换为指针一样。在函数指针被要求当作输入的任何地方，都能够使用函数名。其二，解引用符*和取地址符&用在函数名之前基本上都是多余的。

总结

我希望本文帮助你们认清了函数指针以及它的用途。只要你掌握了函数指针，它就是C语言中一个强大的工具。我也许会在以后的文章中讲述更多函数指针的细节用法，包括回调和C语言中基本的面向对象等等。

更新1: 我删掉了关于描述(*sayHelloPrt)(void)跟(*sayHelloPrt)()相同的那一部分，那其实是错误的。在评论区中，Dave G给出了一个关于这个问题很好的解释。

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