C/C++:函数指针

引言

我们之前学过各种各样指针，今天我们来讨论一下函数指针
我们先分析C和C++不同定义函数指针的方式，然后进一步探讨函数指针的应用。

函数指针的概念

函数指针是一种特殊的指针，它指向的不是变量地址，而是函数的地址。在C和C++等语言中，函数指针允许程序在运行时通过指针调用函数，这提供了编程上的灵活性和动态性。使用函数指针，你可以将函数作为参数传递给其他函数，或者从函数中返回函数地址，从而实现回调（callback）机制、函数表（函数数组）等功能。有了函数指针，我们就可以高效的调用该函数。

函数指针的实现

C语言实现

在C语言中，函数被视为存储在内存中的一段可执行代码，每个函数都有一个唯一的地址。函数指针是一个指针变量，它存储了一个函数的地址。你可以将函数指针用来调用函数，就像你可以使用普通指针来访问变量一样。一般地，我们认为：函数名就是该函数的地址
函数指针的一般声明形式如下：

return_type (*pointer_name)(parameter_type1, parameter_type2, ...);

说明一下：

• return_type:函数指针对应的函数返回值类型。
• pointer:函数指针的名称
• parameter_type1:函数要传入的参数类型。

函数指针看起来比较复杂，待到调用该函数时，可以通过函数指针找到函数在内存中的位置，进而完成调用。

函数指针的定义和初始化
要声明和初始化函数指针，首先需要知道要指向的函数的签名（返回类型和参数类型）。然后，你可以声明一个函数指针变量，并将其初始化为指向特定函数的地址。
以下是一个简单的示例：

int add(int a, int b)
{
	return a + b;

}
int main()
{
	//定义一个返回值为int，参数为int，int类型的函数的函数指针
	int(*ptr)(int, int);
	
	ptr = add;//函数名是函数地址，将函数指针指向add函数

	int ret=ptr(10, 20);//然后进行调用
	printf("%d", ret);
}

typedef return_type(*pointer_name)(parameter_type1, parameter_type2, ...);

• return_type:函数指针对应的函数返回值类型。
• pointer:函数指针的名称
• parameter_type1:函数要传入的参数类型。

听起来这和刚刚的实现方式没有什么区别，接下来我们看一个示例

int add(int a, int b)
{
	return a + b;

}
int main()
{
	
	//定义一个返回值为int，参数为int，int类型的函数的函数指针类型
	typedef int(*ptr)(int, int);
	//定义一个函数指针对象
	ptr p1;
    //函数名是函数地址，将函数指针对象指向add函数
	p1 = add;
	//然后进行调用
	int ret=p1(10, 20);
	printf("%d", ret);
	
}

如上两种方式有什么区别呢？

在C语言中，typedef void(*ptr)(int,int); 和 void(*ptr)(int,int); 这两行代码在本质上是有区别的，尽管它们看起来相似，但它们的用途和效果完全不同。

1. typedef void(*ptr)(int,int);

   这行代码定义了一个新的类型别名ptr，这个别名是一个指向函数的指针类型，该函数接受两个int类型的参数并返回void。使用typedef的目的是为了简化后续的代码，使得在需要声明这种类型的指针时，可以直接使用ptr而不是每次都写出完整的函数指针类型。

   例如，之后你可以这样声明一个变量：

   ptr myFunctionPointer;
   

   这里myFunctionPointer就是一个指向函数的指针，这个函数接受两个int参数并返回void。

2. void(*ptr)(int,int);

   这行代码本身并不定义一个新的类型别名，而是直接声明了一个名为ptr的变量，这个变量是一个指向函数的指针，该函数接受两个int类型的参数并返回void。这里没有使用typedef，所以ptr只是一个具体的变量名，而不是一个可以复用的类型别名。

   如果你只写了这一行代码，那么ptr就是这个特定类型的唯一变量名，你不能再用ptr来声明其他同类型的变量，除非你在另一个作用域内重新声明（这通常不是一个好主意，因为它会导致混淆）。

总结来说，typedef用于定义类型别名，使得代码更加简洁和可重用；而直接声明变量（如void(*ptr)(int,int);）则只是创建了一个具体的变量实例，没有定义新的类型别名。在实际编程中，使用typedef来定义函数指针类型别名是一种更常见和推荐的做法。

C++实现

在C++中，std::function是C++11及以后版本中引入的一个模板类，它提供了一种通用的方式来存储、复制和调用任何可调用实体（Callable），比如函数、Lambda表达式、函数对象、绑定表达式（通过std::bind创建的）以及指向成员函数和指向数据成员的指针。

当你看到这样的代码：

using func = std::function<void()>;

这里定义了一个类型别名func，它是std::function的一个特化版本，专门用于存储和调用没有参数且返回类型为void的可调用实体。

示例

下面是一个简单的示例，展示了如何使用std::function<void()>（通过类型别名func）来存储和调用不同的可调用实体：

#include <iostream>
#include <functional>

// 定义一个类型别名
using func = std::function<void()>;

// 一个普通的函数
void printHello() {
    std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
}

// 一个Lambda表达式
auto printLambda = []() {
    std::cout << "Lambda says hello!" << std::endl;
};

// 一个函数对象
struct PrintFunctor {
    void operator()() const {
        std::cout << "Functor says hello!" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // 创建一个func类型的变量，并存储一个函数指针
    func f1 = printHello;
    f1(); // 调用printHello

    // 创建一个func类型的变量，并存储一个Lambda表达式
    func f2 = printLambda;
    f2(); // 调用Lambda

    // 创建一个func类型的变量，并存储一个函数对象
    func f3 = PrintFunctor();
    f3(); // 调用函数对象的operator()

    return 0;
}

在这个示例中，func类型被用来存储和调用三种不同类型的可调用实体：一个普通函数、一个Lambda表达式以及一个函数对象。这展示了std::function的灵活性和强大功能。

函数指针的应用

构建函数表

#include <iostream>  

// 定义几个函数  
void func1() { std::cout << "Function 1" << std::endl; }
void func2() { std::cout << "Function 2" << std::endl; }
void func3() { std::cout << "Function 3" << std::endl; }

// 函数指针数组（函数表）  
void (*functions[])() = { func1, func2, func3 };

int main() {
    // 通过索引调用函数  
    functions[1](); // 调用func2  
    return 0;
}

回调函数

#include <iostream>  
#include <algorithm> // 用于std::sort  

// 定义一个回调函数类型  
typedef void (*Callback)(int);

// 一个简单的函数  
void printNumber(int n) {
    std::cout << n << std::endl;
}

// 使用回调函数的函数  作为参数的形式传入
void processNumbers(int numbers[], int size, Callback cb) {
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        cb(numbers[i]);
    }
}

int main() {
    int numbers[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    processNumbers(numbers, 5, printNumber); // 传递回调函数  
    return 0;
}

实现多态

#include <stdio.h>  
  
// 定义几种行为的函数  
void animalSoundCat() { printf("Meow\n"); }  
void animalSoundDog() { printf("Woof\n"); }  
  
// 结构体，包含函数指针  
typedef struct {  
    void (*makeSound)();  
} Animal;  
  
// 创建并初始化动物  
void createAnimal(Animal *animal, void (*soundFunc)()) {  
    animal->makeSound = soundFunc;  
}  
  
int main() {  
    Animal cat, dog;  
    createAnimal(&cat, animalSoundCat);  
    createAnimal(&dog, animalSoundDog);  
  
    cat.makeSound(); // 输出: Meow  
    dog.makeSound(); // 输出: Woof  
    return 0;  
}