Question

如果未提到函数指针，则对 C 或 C++函数的讨论将是不完整的。我们将大致介绍一下这个主题，将完整的介绍留给更高级的图书。

与数据项相似，函数也有地址。函数的地址是存储其机器语言代码的内存的开始地址。通常，这些地址对用户而言，既不重要，也没有什么用处，但对程序而言，却很有用。例如，可以编写将另一个函数的地址作为参数的函数。这样第一个函数将能够找到第二个函数，并运行它。与直接调用另一个函数相比，这种方法很笨拙，但它允许在不同的时间传递不同函数的地址，这意味着可以在不同的时间使用不同的函数。

7.10.1 函数指针的基础知识

首先通过一个例子来阐释这一过程。假设要设计一个名为 estimate( ) 的函数，估算编写指定行数的代码所需的时间，并且希望不同的程序员都将使用该函数。对于所有的用户来说，estimate( ) 中一部分代码都是相同的，但该函数允许每个程序员提供自己的算法来估算时间。为实现这种目标，采用的机制是，将程序员要使用的算法函数的地址传递给 estimate( )。为此，必须能够完成下面的工作：

• 获取函数的地址；
• 声明一个函数指针；
• 使用函数指针来调用函数。

1．获取函数的地址

获取函数的地址很简单：只要使用函数名（后面不跟参数）即可。也就是说，如果 think( ) 是一个函数，则 think 就是该函数的地址。要将函数作为参数进行传递，必须传递函数名。一定要区分传递的是函数的地址还是函数的返回值：

process( ) 调用使得 process( ) 函数能够在其内部调用 think( ) 函数。thought( ) 调用首先调用 think( ) 函数，然后将 think( ) 的返回值传递给 thought( ) 函数。

2．声明函数指针

声明指向某种数据类型的指针时，必须指定指针指向的类型。同样，声明指向函数的指针时，也必须指定指针指向的函数类型。这意味着声明应指定函数的返回类型以及函数的特征标（参数列表）。也就是说，声明应像函数原型那样指出有关函数的信息。例如，假设 Pam leCoder 编写了一个估算时间的函数，其原型如下：

则正确的指针类型声明如下：

这与 pam( ) 声明类似，这是将 pam 替换为了（*pf）。由于 pam 是函数，因此（*pf）也是函数。而如果（*pf）是函数，则 pf 就是函数指针。

提示：

通常，要声明指向特定类型的函数的指针，可以首先编写这种函数的原型，然后用（*pf）替换函数名。这样 pf 就是这类函数的指针。

为提供正确的运算符优先级，必须在声明中使用括号将*pf 括起。括号的优先级比*运算符高，因此*pf（int）意味着 pf( ) 是一个返回指针的函数，而（*pf）（int）意味着 pf 是一个指向函数的指针：

正确地声明 pf 后，便可以将相应函数的地址赋给它：

注意，pam( ) 的特征标和返回类型必须与 pf 相同。如果不相同，编译器将拒绝这种赋值：

现在回过头来看一下前面提到的 estimate( ) 函数。假设要将将要编写的代码行数和估算算法（如 pam( ) 函数）的地址传递给它，则其原型将如下：

上述声明指出，第二个参数是一个函数指针，它指向的函数接受一个 int 参数，并返回一个 double 值。要让 estimate( ) 使用 pam( ) 函数，需要将 pam( ) 的地址传递给它：

显然，使用函数指针时，比较棘手的是编写原型，而传递地址则非常简单。

3．使用指针来调用函数

现在进入最后一步，即使用指针来调用被指向的函数。线索来自指针声明。前面讲过，（*pf）扮演的角色与函数名相同，因此使用（*pf）时，只需将它看作函数名即可：

实际上，C++也允许像使用函数名那样使用 pf：

第一种格式虽然不太好看，但它给出了强有力的提示——代码正在使用函数指针。

历史与逻辑

真是非常棒的语法！为何 pf 和（*pf）等价呢？一种学派认为，由于 pf 是函数指针，而*pf 是函数，因此应将（*pf）( ) 用作函数调用。另一种学派认为，由于函数名是指向该函数的指针，指向函数的指针的行为应与函数名相似，因此应将 pf( ) 用作函数调用使用。C++进行了折衷——这 2 种方式都是正确的，或者至少是允许的，虽然它们在逻辑上是互相冲突的。在认为这种折衷粗糙之前，应该想到，容忍逻辑上无法自圆其说的观点正是人类思维活动的特点。

7.10.2 函数指针示例

程序清单 7.18 演示了如何使用函数指针。它两次调用 estimate( ) 函数，一次传递 betsy( ) 函数的地址，另一次则传递 pam( ) 函数的地址。在第一种情况下，estimate( ) 使用 betsy( ) 计算所需的小时数；在第二种情况下，estimate( ) 使用 pam( ) 进行计算。这种设计有助于今后的程序开发。当 Ralph 为估算时间而开发自己的算法时，将不需要重新编写 estimate( )。相反，他只需提供自己的 ralph( ) 函数，并确保该函数的特征标和返回类型正确即可。当然，重新编写 estimate( ) 也并不是一件非常困难的工作，但同样的原则也适用于更复杂的代码。另外，函数指针方式使得 Ralph 能够修改 estimate( ) 的行为，虽然他接触不到 estimate( ) 的源代码。

程序清单 7.18 fun_ptr.cpp

下面是运行该程序的情况：

下面是再次运行该程序的情况：

7.10.3 深入探讨函数指针

函数指针的表示可能非常恐怖。下面通过一个示例演示使用函数指针时面临的一些挑战。首先，下面是一些函数的原型，它们的特征标和返回类型相同：

这些函数的特征标看似不同，但实际上相同。首先，前面说过，在函数原型中，参数列表 const double ar [ ]与 const double * ar 的含义完全相同。其次，在函数原型中，可以省略标识符。因此，const double ar [ ]可简化为 const double [ ]，而 const double * ar 可简化为 const double *。因此，上述所有函数特征标的含义都相同。另一方面，函数定义必须提供标识符，因此需要使用 const double ar [ ]或 const double * ar。

接下来，假设要声明一个指针，它可指向这三个函数之一。假定该指针名为 pa，则只需将目标函数原型中的函数名替换为(*pa)：

可在声明的同时进行初始化：

使用 C++11 的自动类型推断功能时，代码要简单得多：

现在来看下面的语句：

根据前面介绍的知识可知，(*p1) (av, 3) 和 p2(av, 3) 都调用指向的函数（这里为 f1() 和 f2()），并将 av 和 3 作为参数。因此，显示的是这两个函数的返回值。返回值的类型为 const double *（即 double 值的地址），因此在每条 cout 语句中，前半部分显示的都是一个 double 值的地址。为查看存储在这些地址处的实际值，需要将运算符*应用于这些地址，如表达式*(*p1)(av,3) 和*p2(av,3) 所示。

鉴于需要使用三个函数，如果有一个函数指针数组将很方便。这样，将可使用 for 循环通过指针依次调用每个函数。如何声明这样的数组呢？显然，这种声明应类似于单个函数指针的声明，但必须在某个地方加上[3]，以指出这是一个包含三个函数指针的数组。问题是在什么地方加上[3]，答案如下（包含初始化）：

为何将[3]放在这个地方呢？pa 是一个包含三个元素的数组，而要声明这样的数组，首先需要使用 pa[3]。该声明的其他部分指出了数组包含的元素是什么样的。运算符[]的优先级高于*，因此*pa[3]表明 pa 是一个包含三个指针的数组。上述声明的其他部分指出了每个指针指向的是什么：特征标为 const double *, int，且返回类型为 const double *的函数。因此，pa 是一个包含三个指针的数组，其中每个指针都指向这样的函数，即将 const double *和 int 作为参数，并返回一个 const double *。

这里能否使用 auto 呢？不能。自动类型推断只能用于单值初始化，而不能用于初始化列表。但声明数组 pa 后，声明同样类型的数组就很简单了：

本书前面说过，数组名是指向第一个元素的指针，因此 pa 和 pb 都是指向函数指针的指针。

如何使用它们来调用函数呢？pa[i]和 pb[i]都表示数组中的指针，因此可将任何一种函数调用表示法用于它们：

要获得指向的 double 值，可使用运算符*：

可做的另一件事是创建指向整个数组的指针。由于数组名 pa 是指向函数指针的指针，因此指向数组的指针将是这样的指针，即它指向指针的指针。这听起来令人恐怖，但由于可使用单个值对其进行初始化，因此可使用 auto：

如果您喜欢自己声明，该如何办呢？显然，这种声明应类似于 pa 的声明，但由于增加了一层间接，因此需要在某个地方添加一个*。具体地说，如果这个指针名为 pd，则需要指出它是一个指针，而不是数组。这意味着声明的核心部分应为(*pd)[3]，其中的括号让标识符 pd 与*先结合：

换句话说，pd 是一个指针，它指向一个包含三个元素的数组。这些元素是什么呢？由 pa 的声明的其他部分描述，结果如下：

要调用函数，需认识到这样一点：既然 pd 指向数组，那么*pd 就是数组，而(*pd)[i]是数组中的元素，即函数指针。因此，较简单的函数调用是(*pd) i ，而*(*pd) i 是返回的指针指向的值。也可以使用第二种使用指针调用函数的语法：使用(*(*pd)[i])(av,3) 来调用函数，而*(*(*pd)[i])(av,3) 是指向的 double 值。

请注意 pa（它是数组名，表示地址）和&pa 之间的差别。正如您在本书前面看到的，在大多数情况下，pa 都是数组第一个元素的地址，即&pa[0]。因此，它是单个指针的地址。但&pa 是整个数组（即三个指针块）的地址。从数字上说，pa 和&pa 的值相同，但它们的类型不同。一种差别是，pa+1 为数组中下一个元素的地址，而&pa+1 为数组 pa 后面一个 12 字节内存块的地址（这里假定地址为 4 字节）。另一个差别是，要得到第一个元素的值，只需对 pa 解除一次引用，但需要对&pa 解除两次引用：

程序清单 7.19 使用了这里讨论的知识。出于演示的目的，函数 f1() 等都非常简单。正如注释指出的，这个程序演示了 auto 的 C++98 替代品。

程序清单 7.19 arfupt.cpp

该程序的输出如下：

显示的地址为数组 av 中 double 值的存储位置。

这个示例可能看起来比较深奥，但指向函数指针数组的指针并不少见。实际上，类的虚方法实现通常都采用了这种技术（参见第 13 章）。所幸的是，这些细节由编译器处理。

感谢 auto

C++11 的目标之一是让 C++更容易使用，从而让程序员将主要精力放在设计而不是细节上。程序清单 7.19 演示了这一点：

自动类型推断功能表明，编译器的角色发生了改变。在 C++98 中，编译器利用其知识帮助您发现错误，而在 C++11 中，编译器利用其知识帮助您进行正确的声明。

存在一个潜在的缺点。自动类型推断确保变量的类型与赋给它的初值的类型一致，但您提供的初值的类型可能不对：

上述声明导致 pc 的类型与*pa 一致，在程序清单 7.19 中，后面使用它时假定其类型与&pa 相同，这将导致编译错误。

7.10.4 使用 typedef 进行简化

除 auto 外，C++还提供了其他简化声明的工具。您可能还记得，第 5 章说过，关键字 typedef 让您能够创建类型别名：

这里采用的方法是，将别名当做标识符进行声明，并在开头使用关键字 typedef。因此，可将 p_fun 声明为程序清单 7.19 使用的函数指针类型的别名：

然后使用这个别名来简化代码：

使用 typedef 可减少输入量，让您编写代码时不容易犯错，并让程序更容易理解。