函数指针的基本概念和语法

来自：知乎，作者：晓亮Albert

函数指针是一种非常强大的编程工具，它可以让我们以更加灵活的方式编写程序。在本文中，我们将介绍 8 个函数指针的高级应用场景，并贴出相应的代码案例和解释。

回调函数

回调函数是指在某个事件发生时被调用的函数。通常，回调函数是在某个库函数或框架函数中注册的，当某个条件满足时，库函数或框架函数会调用回调函数来执行相应的操作。以下是一个示例：

void handle_event(int event_type, void (*callback)(void))
{
    printf("event %d occurred
", event_type);


    if (callback)
    {
        callback();
    }
}




void callback_function()
{
    printf("callback function called
");
}




int main()
{
    handle_event(1, callback_function);
    handle_event(2, NULL);
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个 handle_event 函数，它接受两个参数：一个事件类型和一个函数指针。如果函数指针不为空，则会调用指定的函数。

在 main 函数中，我们分别调用 handle_event 函数来触发两个事件，其中第一个事件注册了一个回调函数 callback_function，第二个事件没有注册回调函数。

函数参数化

函数参数化是指通过函数指针将函数的某些行为参数化。这样，我们可以在调用函数时动态地指定函数的行为。以下是一个示例：

void process_array(int *array, size_t size, int (*process)(int))

{
    for (size_t i = 0; i < size; i++)
    {
        array[i] = process(array[i]);
    }
}


int increment(int n)
{
    return n + 1;
}


int main()
{
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    size_t size = sizeof(array) / sizeof(int);
    process_array(array, size, increment);
    for (size_t i = 0; i < size; i++)
    {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("
");
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个 process_array 函数，它接受三个参数：一个整型数组、数组大小和一个函数指针。函数指针指向一个函数，该函数接受一个整型参数并返回一个整型结果。

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在 process_array 函数中，我们将数组中的每个元素传递给指定的函数，然后将函数的返回值存储回原数组中。

在 main 函数中，我们定义了一个 increment 函数，它将传入的整数加 1。然后，我们调用 process_array 函数来处理整型数组，并打印出结果。

排序算法

排序算法是函数指针的另一个常见应用场景。通过传递不同的比较函数，我们可以在不同的排序算法中重用相同的代码。以下是一个示例：

typedef int (*compare_func_t)(const void *, const void *);


void sort(int *array, size_t size, compare_func_t compare_func)
{
    qsort(array, size, sizeof(int), compare_func);
}


int compare_int(const void *a, const void *b)
{
    return (*(int*)a - *(int*)b);
}


int compare_reverse_int(const void *a, const void *b)
{
    return (*(int*)b - *(int*)a);
}


int main()
{
    int array[] = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5};
    size_t size = sizeof(array) / sizeof(int);
    sort(array, size, compare_int);
    for (size_t i = 0; i < size; i++)
    {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("
");
    sort(array, size, compare_reverse_int);
    for (size_t i = 0; i < size; i++)
    {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("
");
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个 sort 函数，它接受三个参数：一个整型数组、数组大小和一个比较函数指针。

比较函数指针指向一个函数，该函数接受两个指向常量 void 类型的指针，并返回一个整型结果。

在 sort 函数中，我们使用标准库函数 qsort 来对整型数组进行排序，其中比较函数指针由调用者传递。

在 main 函数中，我们定义了两个比较函数 compare_int 和 compare_reverse_int，分别用于升序和降序排序。然后，我们调用 sort 函数来对整型数组进行排序，并打印出结果。

函数指针数组

函数指针数组是指一个数组，其中的每个元素都是一个函数指针。这种数组可以用于实现一个分派表，根据输入参数的不同，动态地调用不同的函数。以下是一个示例：

void add(int a, int b)
{
    printf("%d + %d = %d
", a, b, a + b);
}


void subtract(int a, int b)
{
    printf("%d - %d = %d
", a, b, a - b);
}


void multiply(int a, int b)
{
    printf("%d * %d = %d
", a, b, a * b);
}


void divide(int a, int b)
{
    if (b == 0)
    {
        printf("cannot divide by zero
");
    }
    else
    {
        printf("%d / %d = %d
", a, b, a / b);
    }
}


typedef void (*operation_func_t)(int, int);


int main()
{
    operation_func_t operations[] = {add, subtract, multiply, divide};
    size_t num_operations = sizeof(operations) / sizeof(operation_func_t);
    int a = 10, b = 5;
    for (size_t i = 0; i < num_operations;i++)
    {
      operations[i](a,b);
    }
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了四个函数 add、subtract、multiply 和 divide，分别对两个整数进行加、减、乘和除操作。

然后，我们定义了一个函数指针类型 operation_func_t，它指向一个接受两个整型参数并没有返回值的函数。

接着，我们定义了一个函数指针数组 operations，其中的每个元素都是一个 operation_func_t 类型的函数指针，分别指向 add、subtract、multiply 和 divide 函数。

在 main 函数中，我们使用 for 循环遍历 operations 数组，并依次调用每个函数指针所指向的函数。在每次调用函数之前，我们可以根据需要设置 a 和 b 的值。这样，我们就可以动态地选择要执行的操作。

函数指针与回溯法

回溯法是一种求解一些组合优化问题的算法，它通常使用递归来实现。函数指针可以用于实现回溯法算法的一些关键部分。

以下是一个使用回溯法来计算排列的示例：

typedef void (*callback_func_t)(const int *, size_t);


void swap(int *a, int *b)
{
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}


void permute(int *nums, size_t len, size_t depth, callback_func_t callback) {
    if (depth == len)
    {
        callback(nums, len);
        return;
    }
    for (size_t i = depth; i < len; i++)
    {
        swap(&nums[depth], &nums[i]);
        permute(nums, len, depth + 1, callback);
        swap(&nums[depth], &nums[i]);
    }
}


void print_array(const int *arr, size_t len)
{
    for (size_t i = 0; i < len; i++) 
    { 
      printf("%d ", arr[i]); }
      printf("
"); 
  }
}


int main()
{
  int nums[] = {1, 2, 3};
  permute(nums, sizeof(nums) / sizeof(int), 0, print_array); 
  return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个函数 permute，用于计算给定数组的排列。

在 permute 函数中，我们使用递归来生成所有可能的排列，并使用函数指针 callback 来指定每当我们生成一个排列时应该调用的函数。

在本例中，我们将 print_array 函数作为回调函数传递给了 permute 函数。这意味着每当 permute 函数生成一个排列时，它都会调用 print_array 函数来打印这个排列。

在 main 函数中，我们定义了一个包含三个整数的数组 nums，并使用 permute 函数来计算这个数组的所有排列。在每次生成一个排列时，permute 函数都会调用 print_array 函数来打印这个排列。

函数指针与多态

多态是面向对象编程中的一个重要概念，它允许我们在不知道对象类型的情况下调用相应的函数。虽然 C 语言不是面向对象编程语言，但我们仍然可以使用函数指针来实现多态。

以下是一个使用函数指针实现多态的示例：

typedef struct shape
{
    void (*draw)(struct shape *);
} shape_t;


typedef struct circle
{
    shape_t shape;
    int x;
    int y;
    int r;
} circle_t;


typedef struct rectangle
{
    shape_t shape;
    int x;
    int y;
    int w;
    int h;
} rectangle_t;


void circle_draw(shape_t *shape)
{
    circle_t *circle = (circle_t *)shape;
    printf("Drawing a circle at (%d, %d) with radius %d.
", circle->x, circle->y, circle->r);
}


void rectangle_draw(shape_t *shape)
{
    rectangle_t *rectangle = (rectangle_t *)shape;
    printf("Drawing a rectangle at (%d, %d) with width %d and height %d.
", rectangle->x, rectangle->y, rectangle->w, rectangle->h);
}


int main()
{
    circle_t circle =
    {
        .shape = {circle_draw},
        .x = 10,
        .y = 20,
        .r = 5,
    };
    rectangle_t rectangle =
    {
        .shape = {rectangle_draw},
        .x = 30,
        .y = 40,
        .w = 15,
        .h = 20,
    };
    shape_t *shapes[] = {(shape_t *)&circle, (shape_t *)&rectangle};
    for (size_t i = 0; i < sizeof(shapes) / sizeof(shape_t *); i++)
    {
        shapes[i]->draw(shapes[i]); 
     }
     return 0;
  }

在上面的代码中，我们定义了一个 shape 结构体，它有一个函数指针 draw，用于绘制该形状。

我们还定义了两个形状：circle 和 rectangle，它们分别包含它们自己的属性和一个指向 shape 结构体的指针。每个形状都定义了自己的 draw 函数，用于绘制该形状。

在 main 函数中，我们定义了一个 shape_t 类型的数组，其中包含一个 circle 和一个 rectangle。我们使用一个循环来遍历这个数组，并使用每个形状的 draw 函数来绘制该形状。

注意，尽管 shapes 数组中的元素类型为 shape_t *，但我们仍然可以调用每个元素的 draw 函数，因为 circle 和 rectangle 都是从 shape_t 派生出来的，它们都包含一个 draw 函数指针。

这个例子演示了如何使用函数指针来实现多态。尽管 C 语言不支持面向对象编程，但我们可以使用结构体和函数指针来实现类似的概念。

总结

函数指针是一种强大的工具，可以用于实现许多不同的编程模式和算法。

在本文中，我们介绍了函数指针的基本概念和语法，并提供了一些高级应用场景的代码示例，包括回调函数、函数指针数组、函数指针作为参数、函数指针与递归、函数指针与多态等。

使用函数指针可以帮助我们编写更加灵活和通用的代码，并提高代码的可重用性和可扩展性。

审核编辑：黄飞