《C語言程序設計基礎(chǔ)》課件第7章

第7章

函數(shù)——模塊化程序設計方法的實現(xiàn)7.1模塊化程序設計方法與函數(shù)7.2函數(shù)的定義7.3函數(shù)的調(diào)用7.4函數(shù)調(diào)用的條件與函數(shù)聲明7.5函數(shù)的嵌套調(diào)用和遞歸調(diào)用7.6變量的作用域與函數(shù)間的數(shù)據(jù)傳遞7.7用函數(shù)實現(xiàn)模塊化程序設計實訓任務十三

熟悉函數(shù)的功能及其使用方法實訓任務十四

學習模塊化程序設計的方法

7.1模塊化程序設計方法與函數(shù)

程序模塊與函數(shù)有何關(guān)系？怎樣根據(jù)問題功能模塊設計函數(shù)？

結(jié)構(gòu)化程序設計由迪克斯特拉(E.W.Dijkstra)在1969年提出，是以模塊化設計為中心，將待開發(fā)的軟件系統(tǒng)劃分為若干個相互獨立的模塊，這樣使完成每一個模塊的工作變得單純而明確，為設計一些較大的軟件打下了良好的基礎(chǔ)。模塊化程序設計的基本要點是貫徹“自頂向下，逐步細化”的思想方法，即將一個復雜功能的編程問題，劃分成若干個功能相對簡單的子問題。這種劃分可以逐層進行，直到便于編程為止。在C語言中，一個模塊的功能由一個函數(shù)來實現(xiàn)。頂層函數(shù)是主函數(shù)main()。功能模塊與C語言函數(shù)的關(guān)系如圖7.1所示。

圖7.1模塊與函數(shù)分析問題，劃分出模塊之后，C程序設計的工作就是函數(shù)的定義了。一般來說，底層模塊函數(shù)的定義主要是某種功能的實現(xiàn)，上層模塊函數(shù)的定義主要考慮對下層模塊函數(shù)的調(diào)用與數(shù)據(jù)傳遞。

C語言中包含多種函數(shù)類型。從用戶使用的角度可分為標準庫函數(shù)和用戶自定義函數(shù)；從函數(shù)接口可分為有參函數(shù)和無參函數(shù)。標準庫函數(shù)是由系統(tǒng)提供的，用戶只需按要求調(diào)用即可。

7.2函

數(shù)

的

定

義

怎樣定義函數(shù)？定義函數(shù)要考慮哪些問題？

定義函數(shù)要解決兩個方面的問題：一是函數(shù)間的接口問題，二是功能實現(xiàn)問題。接口問題包括如何被上層函數(shù)調(diào)用，調(diào)用時需傳遞什么數(shù)據(jù)，調(diào)用返回時需傳帶什么數(shù)據(jù)。功能實現(xiàn)問題就是如何實現(xiàn)模塊的過程算法。

函數(shù)定義的一般形式為

第一種形式是C語言ANSI的標準形式，VC++6.0系統(tǒng)中只允許這種形式；第二種形式是TurboC編譯系統(tǒng)允許的擴展形式。

下面對函數(shù)定義的各組成部分作一說明。

(1)基類型符可以是基本數(shù)據(jù)類型中任一種類型的標識符，如int、char、float、double等。其作用是定義函數(shù)返回值的類型。當函數(shù)執(zhí)行后不需要返回值或不允許返回值時，函數(shù)類型標識符用void表示。函數(shù)類型標識符可以缺省，系統(tǒng)默認為int型。當缺省時，在TurboC系統(tǒng)中編譯可以完全通過，而在VC++6.0系統(tǒng)中會出現(xiàn)警告。標準C語言中不建議省略函數(shù)類型。

(2)函數(shù)名是函數(shù)調(diào)用的名稱。其命名規(guī)則同變量名、數(shù)組名一樣。實質(zhì)上，函數(shù)名表示函數(shù)存儲的首地址，將在“指針”一章詳細介紹。

(3)形式參數(shù)，簡稱形參，用于接收函數(shù)調(diào)用時所傳遞的數(shù)據(jù)，可以是變量名、數(shù)組名等。因為在函數(shù)定義時，不表示具體數(shù)據(jù)，只表示虛設的數(shù)據(jù)對象，所以稱為形式參數(shù)。當形參多于1個時，形參之間要用逗號分隔，就構(gòu)成了形參表。在第一種定義形式中，每一個形參前要說明其類型。在第二種定義形式中，只列出形參名，但在其后對形參的類型逐一進行說明。如果形式參數(shù)表中沒有參數(shù)，但括號必須保留，就成為無參函數(shù)定義?！盎愋头?/p>

函數(shù)名(形參表)”構(gòu)成函數(shù)的頭部，是函數(shù)調(diào)用的接口。

(4)用一對花括號括起來的內(nèi)容稱為函數(shù)體。函數(shù)體一般包含三個部分：

①函數(shù)體內(nèi)數(shù)據(jù)對象定義或聲明部分，是對在函數(shù)體內(nèi)使用的數(shù)據(jù)對象(如變量、數(shù)組等)的定義，或有些數(shù)據(jù)對象在函數(shù)外已經(jīng)定義，在被定義的函數(shù)中使用，需要進行聲明。

②函數(shù)功能實現(xiàn)部分，是一個程序段，要依據(jù)實現(xiàn)某種功能的算法進行設計。③函數(shù)體最后使用一個“return(返回值)；”語句，括號中的返回值是一個需傳帶給主調(diào)函數(shù)的數(shù)據(jù)對象。如果沒有返回值，可以不要這個語句。VC++6.0系統(tǒng)中提倡在main()函數(shù)體后使用一個“return0；”語句，表示正常返回系統(tǒng)，否則會出現(xiàn)警告。如果函數(shù)體僅是一對花括號，沒有任何語句，就是空函數(shù)?？蘸瘮?shù)一般是無參函數(shù)。

例7.1

編程實現(xiàn)從鍵盤輸入三角形三條邊的長度，并判定是否構(gòu)成三角形。

編程思路：問題雖簡單，為了說明模塊化程序設計方法，可將問題劃分為三個模塊，如圖7.2所示，每一個模塊用函數(shù)實現(xiàn)。輸入、輸出使用系統(tǒng)提供的庫函數(shù)，只需自行定義判定函數(shù)。

圖7.2例7.1的模塊與函數(shù)運行結(jié)果：

分析：在process中，定義了3個整型形參x、y、z，表示三角形三邊數(shù)據(jù)。根據(jù)三角形的構(gòu)成條件，在if語句中判定，若能構(gòu)成三角形，返回值為“1”，否則，返回值為“0”。在主函數(shù)中調(diào)用process，根據(jù)返回值輸出判定結(jié)果。

7.3函

數(shù)

的

調(diào)

用

7.3.1函數(shù)調(diào)用方法與過程

在main函數(shù)中調(diào)用其他函數(shù)，在其他函數(shù)中還可以調(diào)用別的函數(shù)。C語言函數(shù)調(diào)用有多種方式，可以是程序中獨立的調(diào)用語句，也可以在表達式中調(diào)用函數(shù)，還可以在函數(shù)參數(shù)位置調(diào)用函數(shù)。函數(shù)調(diào)用的一般形式為

函數(shù)名(實參表)

其中，函數(shù)名是被調(diào)用的函數(shù)名稱。實參表與被調(diào)用函數(shù)的形參表相對應，即參數(shù)個數(shù)和類型要保持一致。實參是具體的數(shù)據(jù)，所以稱之為實參。通過實參向被調(diào)函數(shù)的形參傳遞數(shù)據(jù)。

C語言函數(shù)調(diào)用相當于其他語言中的子程序調(diào)用，不論哪種方式的調(diào)用，都使程序的執(zhí)行流從調(diào)用處轉(zhuǎn)向被調(diào)函數(shù)，當被調(diào)函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時又返回到調(diào)用處繼續(xù)執(zhí)行。函數(shù)調(diào)用過程如圖7.3所示。

圖7.3函數(shù)調(diào)用過程

例7.2

編寫一個求階乘的函數(shù)，在主函數(shù)中輸入求階乘的數(shù)，調(diào)用函數(shù)求出階乘值并輸出。

運行結(jié)果：

分析：在主函數(shù)中輸入10并賦給變量n，n作為實參調(diào)用factorial函數(shù)，將n的值傳給形參x，此時，x具有值10，factorial函數(shù)求出10的階乘并置于變量c中，c是返回值。返回后，將c的值賦給變量fact。

例7.3

編寫一個函數(shù)，求兩數(shù)中的最小數(shù)。在主函數(shù)中輸入兩個數(shù)，調(diào)用函數(shù)求出最小數(shù)，再求最小數(shù)的平方根并輸出。

編程思路：定義一個求兩數(shù)中最小數(shù)的函數(shù)，在主函數(shù)中調(diào)用該函數(shù)，再調(diào)用求平方根的庫函數(shù)，最后輸出結(jié)果。運行結(jié)果：

分析：sqrt是求平方根庫函數(shù)，在程序開頭用預處理命令包含頭文件“math.h”。在庫函數(shù)sqrt和printf的參數(shù)位置調(diào)用min函數(shù)，其實是調(diào)用后的返回值作參數(shù)。

7.3.2參數(shù)傳遞

從函數(shù)的調(diào)用過程可知，函數(shù)調(diào)用時，實參把數(shù)據(jù)傳遞給形參，形參接收實參數(shù)據(jù)，在函數(shù)中進行特定處理。C語言與其他一些高級語言有所不同，函數(shù)的參數(shù)傳遞是單向的，即只能將實參數(shù)據(jù)傳遞給形參，形參數(shù)據(jù)不能傳遞給實參。也就是說，函數(shù)調(diào)用返回后，對形參數(shù)據(jù)引用是無效的。

函數(shù)參數(shù)傳遞的單向性的實質(zhì)在于：在函數(shù)中定義的形參，函數(shù)未被調(diào)用時，系統(tǒng)并不給它們分配存儲單元，只有調(diào)用發(fā)生時，系統(tǒng)才給形參分配存儲單元。調(diào)用結(jié)束后，形參所占的存儲單元即被釋放(不存在了)，亦即，形參中的數(shù)據(jù)也就無效了。函數(shù)的參數(shù)傳遞還要求類型一致，即實參與形參要保持類型的匹配。如整型形參只能接收整型或字符型實參數(shù)據(jù)，不能接收其他類型的實參數(shù)據(jù)，否則，將發(fā)生“類型不匹配”錯誤。

例7.4

下面的程序是在一函數(shù)中交換兩個變量的值，并輸出交換后形參的值，在主函數(shù)中提供兩數(shù)，調(diào)用函數(shù)后輸出實參的值。

運行結(jié)果：

分析：exchange中實現(xiàn)對兩形參值的交換，輸出形參值交換后的結(jié)果；主函數(shù)中給變量a、b分別賦值5和10，調(diào)用exchange，使形參a、b的值交換，輸出結(jié)果是a=10,b=5。調(diào)用返回輸出實參的值a=5，b=10。函數(shù)調(diào)用參數(shù)傳遞及變化情況如圖7.4所示。圖7.4例7.4函數(shù)調(diào)用參數(shù)傳遞及變化情況由圖可知，雖然實參和形參定義了相同的變量名，但它們是不同的變量，系統(tǒng)分別分配不同的存儲單元。實參編譯時就分配存儲單元，而且在程序執(zhí)行的全過程有效。形參在調(diào)用時才分配存儲單元，調(diào)用結(jié)束就不復存在了。調(diào)用時，實參把數(shù)據(jù)傳遞給形參，在函數(shù)中對形參進行交換，不影響實參。函數(shù)調(diào)用返回后，輸出實參變量仍是原值(單向傳遞)。

7.3.3函數(shù)的返回值

函數(shù)的返回值是函數(shù)調(diào)用后帶回的主調(diào)函數(shù)的一個確定值，用return語句帶回。

return語句有3種形式：

形式一：

return表達式；

形式二：

return(表達式)；

形式三：

return；形式一和形式二作用完全相同，表達式的意義是結(jié)束函數(shù)的運行并帶回表達式的值；形式三中無表達式，其作用是結(jié)束函數(shù)的運行且無返回值。return中表達式的值就是函數(shù)的返回值，其值的類型由函數(shù)類型決定。如果表達式值的類型與函數(shù)類型不一致，則以函數(shù)類型為準，由系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換。

根據(jù)return語句的意義，可以得出的結(jié)論是：一個非void類型函數(shù)有且僅有一個返回值。當函數(shù)體中出現(xiàn)return語句時，函數(shù)的類型就不能是void類型，反之亦然。如果一個函數(shù)體中有幾個返回語句，執(zhí)行第1個返回語句就返回，所以其后的語句不起作用。

運行結(jié)果：

分析：本例說明，在一個函數(shù)中，如果有多種可能的運行方式，根據(jù)情況選擇一種方式運行，每一種方式可以用不同的return語句返回不同的結(jié)果。

7.4函數(shù)調(diào)用的條件與函數(shù)聲明

7.4.1調(diào)用后定義的函數(shù)

在前面的例子中，我們把定義函數(shù)放在程序的前面，主函數(shù)放在后面，也就是說，函數(shù)定義在前、調(diào)用在后。所以直接按基本調(diào)用方法調(diào)用，沒有提及調(diào)用函數(shù)的附加條件。如果被調(diào)函數(shù)的定義在調(diào)用之后，直接調(diào)用，VC系統(tǒng)將會出現(xiàn)對被調(diào)函數(shù)不能辨識的錯誤。如果主調(diào)函數(shù)與被調(diào)函數(shù)在一個程序文件中，被調(diào)函數(shù)定義在后，主調(diào)函數(shù)在前，要求在主調(diào)函數(shù)的前面對被調(diào)函數(shù)作“聲明”。函數(shù)聲明的一般形式為

基類型符

函數(shù)名(類型符

形式參數(shù)1，類型符

形式參數(shù)2，…)；

還可以采用簡化形式：

基類型符

函數(shù)名(類型符，類型符，…)；

在TC系統(tǒng)中還可以為

基類型符

函數(shù)名()；

函數(shù)聲明是用函數(shù)定義的頭部或簡化形式，對函數(shù)返回值類型、函數(shù)名、參數(shù)的類型的說明，不包含函數(shù)體。

例7.6

用簡單的函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)兩數(shù)相加程序來說明函數(shù)聲明。

運行結(jié)果：

分析：定義add函數(shù)在主函數(shù)之后，所以在主函數(shù)前面作了函數(shù)聲明。讀者可自行驗證函數(shù)聲明的簡化形式。7.4.2調(diào)用庫函數(shù)

C語言提供了豐富的庫函數(shù)。為方便用戶使用，庫函數(shù)劃分為了不同的類。每一類庫函數(shù)有一個擴展名為“.h”的頭文件。頭文件中包含了相關(guān)函數(shù)的聲明、宏定義和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。在程序中要調(diào)用庫函數(shù)，需要在程序開頭使用預處理命令將該庫函數(shù)所在類的頭文件包含在程序中，否則，會出現(xiàn)庫函數(shù)不能辨識的錯誤。庫函數(shù)的分類及其頭文件可查閱附件D。例如，stdio.h、math.h、string.h、stdlib.h分別是輸入/輸出庫函數(shù)、數(shù)學庫函數(shù)、字符及字符串函數(shù)、動態(tài)存儲器分配庫函數(shù)的頭文件。預處理命令的使用有兩種形式：

#include<頭文件名>

或

#include"頭文件名"

這兩種形式稍有區(qū)別，尖括號表示在包含文件目錄中查找(包含目錄是由用戶在設置環(huán)境時設置的)，而不在源文件目錄中查找；雙引號則表示首先在當前的源文件目錄中查找，若未找到，再到包含目錄中查找。用戶編程時可根據(jù)自己文件所在的目錄來選擇某一種命令形式。

7.4.3調(diào)用外部函數(shù)

C語言中，根據(jù)函數(shù)能否被不同的源程序文件調(diào)用，將函數(shù)區(qū)分為內(nèi)部函數(shù)和外部函數(shù)。

如果一個函數(shù)只能在同一文件中被調(diào)用，則稱之為內(nèi)部函數(shù)。在定義內(nèi)部函數(shù)時，需要在“基類型符”前加“static”。其定義的形式為

static基類型符函數(shù)名(形參表)

{

}內(nèi)部函數(shù)又稱為靜態(tài)函數(shù)。因為內(nèi)部函數(shù)只限于本文件使用，所以，在不同的程序文件中可以使用同名的內(nèi)部函數(shù)，而不會產(chǎn)生干擾。這樣在開發(fā)大型軟件時，不同的人可分別編寫不同的函數(shù)，而不必擔心與其他程序文件中的函數(shù)同名。

外部函數(shù)可以在不同文件中被調(diào)用。定義時，可以在“基類型符”前加“extern”，表示外部函數(shù)。其定義的形式為

extern基類型符函數(shù)名(形參表)

{

}如果不加“extern”，系統(tǒng)也隱含為外部函數(shù)。在此之前所用的函數(shù)都可作為外部函數(shù)。

調(diào)用外部函數(shù)時，一般要在調(diào)用函數(shù)的文件中作外部函數(shù)的聲明。聲明的一般形式為

extern函數(shù)名()；

例7.7

通過4個文件來實現(xiàn)：輸入一個字符串，刪除其中指定的一個字符，然后輸出字符串。

運行結(jié)果：

分析：三個函數(shù)分別在3個文件中定義，雖然函數(shù)前未加“extern”說明，但系統(tǒng)默認為外部函數(shù)。在主函數(shù)中對3個函數(shù)進行了外部函數(shù)聲明，分別調(diào)用了3個文件中的函數(shù)。

7.5函數(shù)的嵌套調(diào)用和遞歸調(diào)用

7.5.1函數(shù)的嵌套調(diào)用

何謂函數(shù)的嵌套調(diào)用？函數(shù)的嵌套調(diào)用有何特點？

C語言允許一個函數(shù)在調(diào)用另一個函數(shù)的過程中再調(diào)用其他函數(shù)，形成多層調(diào)用關(guān)系。這種調(diào)用關(guān)系稱為嵌套調(diào)用。嵌套調(diào)用可以實現(xiàn)多層模塊結(jié)構(gòu)的程序設計。

例7.8

編程實現(xiàn)求2|x|+1的值。

編程思路：為了說明嵌套調(diào)用，求絕對值用一個函數(shù)實現(xiàn)，求表達式的值用另一個函數(shù)實現(xiàn)，通過3層嵌套調(diào)用得以求解。

運行結(jié)果：

分析：嵌套調(diào)用關(guān)系及其執(zhí)行過程如圖7.5所示。圖7.5例7.8程序嵌套調(diào)用關(guān)系及其執(zhí)行過程程序的執(zhí)行步驟：

(1)程序進入main函數(shù)，給變量f賦初值-1.5。

(2)?main函數(shù)的printf語句中調(diào)用了func，將實際參數(shù)-1.5傳遞給func的形式參數(shù)r。

(3)程序進入func函數(shù)，在func里調(diào)用了fabs函數(shù)，將-1.5傳遞給fabs的形參x。

(4)程序進入fabs，計算x的絕對值，將1.5返回到func函數(shù)中的調(diào)用fabs函數(shù)處，繼續(xù)func函數(shù)的執(zhí)行。

(5)在func函數(shù)中計算表達式2*fabs(r)+1的值，將結(jié)果4.0返回到main函數(shù)中調(diào)用func函數(shù)處。

(6)?main函數(shù)的printf函數(shù)輸出func的返回值4.0。7.5.2函數(shù)的遞歸調(diào)用

何謂函數(shù)的遞歸調(diào)用？函數(shù)的遞歸調(diào)用有何特點？

一個函數(shù)在它的函數(shù)體內(nèi)直接或間接調(diào)用自身稱為遞歸調(diào)用，這種函數(shù)稱為遞歸函數(shù)或自調(diào)用函數(shù)，如圖7.6所示。C語言中允許函數(shù)的遞歸調(diào)用。

圖7.6函數(shù)遞歸調(diào)用關(guān)系函數(shù)遞歸調(diào)用特別適合遞推問題的求解。利用遞歸算法，需對問題進行以下三個方面的分析：

(1)分析出遞推公式。

(2)確定問題的邊界條件或邊界值，即遞推的終結(jié)條件，否則問題求解將進入死圈。

(3)利用遞歸函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)遞推公式求解。

例7.9

用遞歸方法求解n！。

編程思路：由n!=n(n-1)(n-2)…1可得遞推公式n!=n*(n-1)!，終結(jié)條件是0或1的階乘值為1。利用函數(shù)遞歸調(diào)用可以很容易地實現(xiàn)。

運行結(jié)果：

分析：在主函數(shù)中輸入5，從fac(5)開始函數(shù)的遞歸調(diào)用，調(diào)用過程如圖7.7所示。圖7.7例7.9函數(shù)遞歸調(diào)用示意圖由圖可知，遞歸調(diào)用過程可分成兩個階段。第一階段是“遞推”，n的階乘表示為n-1的階乘，而n-1的階乘仍未知，進而表示為n-2的階乘，如此推到1的階乘為1，就不必再推了。然后開始第2階段的“反推”。由1的階乘推算出2的階乘，由2的階乘推算出3的階乘，如此反推到第一次調(diào)用，算出5的階乘，最后返回到主程序的調(diào)用處。

從上述分析易知，遞歸調(diào)用程序結(jié)構(gòu)簡潔，但函數(shù)的調(diào)用次數(shù)、參數(shù)傳遞并沒有節(jié)省內(nèi)存資源的使用、程序的執(zhí)行時間。因遞歸調(diào)用很容易解決遞推算法問題，從而成為了C程序設計中的一種重要方法。

例7.10

用遞歸方法求一個等差數(shù)列第n項an的值，其中首項a1的值是1，公差d為3。

編程思路：由等差數(shù)列通項公式an=a1+(n-1)d可知，求第n項的值是一個遞推問題，即an=an-1+d，終結(jié)條件是首項已知。

運行結(jié)果：

分析：考慮程序的通用性，getan函數(shù)的形參設置為3個，分別是首項、公差和項數(shù)。主程序中輸入首項值和項數(shù)，如果公差也輸入，則程序成為求等差數(shù)列任一項的通用程序。在主函數(shù)中得到實參值后調(diào)用getan函數(shù)，進入遞歸調(diào)用過程，共調(diào)用10次，再經(jīng)過“反推”過程，回到主函數(shù)，輸出結(jié)果。

7.6變量的作用域與函數(shù)間的數(shù)據(jù)傳遞

7.6.1局部變量和全局變量

C程序中的變量，按照作用域可分為兩種：局部變量和全局變量。

1．局部變量

在一個函數(shù)內(nèi)部定義的變量，稱為內(nèi)部變量。內(nèi)部變量只能在所定義的函數(shù)范圍內(nèi)使用(有效)，在其外就不能使用了，或者說在其外就無效了，所以內(nèi)部變量是局部變量。關(guān)于局部變量的幾點說明：

(1)?main()函數(shù)中定義的變量也只能在主函數(shù)中使用，不能在其他函數(shù)中使用。同時，主函數(shù)中也不能使用其他函數(shù)中定義的變量。

(2)形參變量屬于局部變量。函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，形參變量就不復存在了。

(3)在不同的函數(shù)中可以使用同名變量，因為它們僅在所屬的函數(shù)內(nèi)有效，系統(tǒng)分配給不同的單元，代表不同的數(shù)據(jù)對象，互不干擾，也不會發(fā)生混淆。

(4)一個函數(shù)內(nèi)部的復合語句中定義的變量，其作用范圍是從定義處到復合語句尾部，如圖7.8所示。

圖7.8局部變量作用范圍示意

2．全局變量

一個源程序文件中可以包含多個函數(shù)，在每一個函數(shù)外定義的變量統(tǒng)稱為外部變量。外部變量是全局變量。外部變量的有效范圍是從定義變量處到源程序文件結(jié)束。源文件中變量的作用范圍如圖7.9所示。

關(guān)于全局變量的幾點說明：

(1)在一個程序文件中若存在局部變量和全局變量的共同有效區(qū)域，則既可使用局部變量，又可使用全局變量。定義局部變量和全局變量時應避免同名。若有同名變量，則在局部變量的作用范圍內(nèi)，外部變量不起作用。

圖7.9源文件中的變量使用范圍示意運行結(jié)果：

分析：在主函數(shù)中，a既在局部變量的作用范圍，又在全局變量的作用范圍，此時a用局部變量的值，b用全局變量的值，所以函數(shù)調(diào)用是max(8,5)。實參值傳遞給形參a,b，在max函數(shù)中形參起作用，全局變量a,b不起作用，調(diào)用返回值為8。

(2)如果想在定義點之前的函數(shù)中使用外部變量，C語言是允許的，但要在該函數(shù)中用“extern”作外部變量說明，表示該變量在函數(shù)外部定義，在本函數(shù)內(nèi)部使用。聲明的一般形式為

extern類型說明符

變量列表；

這樣就擴大了外部變量的作用范圍。外部變量說明和外部變量定義的作用意義是不一樣的。外部變量定義在函數(shù)之外，只能有一次。而外部變量說明是在要使用的函數(shù)之內(nèi)，可以有多次說明。系統(tǒng)根據(jù)外部變量定義給變量分配存儲單元，而不是根據(jù)外部變量說明。

運行結(jié)果：

分析：在main函數(shù)中，x既是局部變量又是全局變量，應取局部變量的值5，y是全局變量，在main函數(shù)中有效，所以函數(shù)調(diào)用為mul(5,4)。在mul中，對外部變量z作了說明，可以引用z的值。因此函數(shù)返回值為x*y*z=5*4*5=100。

(3)由于全局變量能被一個文件中的各個函數(shù)引用，因而在一個函數(shù)中改變?nèi)值闹?，在其他函?shù)中可以引用改變后的值，相當于將一個函數(shù)中的值傳遞到其他函數(shù)中。所以，利用全局變量就增加了函數(shù)間數(shù)據(jù)傳遞的通道。利用外部變量提高函數(shù)間數(shù)據(jù)傳遞能力的同時，也會給程序設計帶來一些負面影響：

(1)會使程序的通用性降低。因為如果將一個函數(shù)移植到另一文件中，還需要將相關(guān)的外部變量及其值一并移植。若所移植的外部變量與文件中的變量同名，就會出現(xiàn)問題，從而降低程序的通用性和可靠性。

(2)使用全局變量會使程序清晰性變差。因為在分析程序時，很難把握全局變量的動態(tài)值。

(3)全局變量在程序運行的全過程中一直占據(jù)存儲單元，過多使用全局變量，不利于存儲器資源的有效利用。

綜上所述，在程序設計中，只有非用不可時才定義全局變量，應盡量減少全局變量的數(shù)目。

例7.13

從鍵盤輸入0～4000范圍內(nèi)的整數(shù)，以輸入負數(shù)作為結(jié)束標志，并通過一個函數(shù)實現(xiàn)最大值、最小值和平均值的計算。

編程思路：一個函數(shù)通過return語句只能返回一個值，現(xiàn)在要求計算最大值、最小值和平均值，都需要返回輸出?？衫萌肿兞總鬟f值。

運行結(jié)果：

分析：由于數(shù)據(jù)個數(shù)不限，通過負數(shù)來結(jié)束輸入，定義全局變量max、min、sum，compute函數(shù)定義為無返回值函數(shù)，是通過全局變量傳遞最大值、最小值和累加和的。在循環(huán)外輸入一個數(shù)，作為max、min、sum的初值，在循環(huán)中再輸入數(shù)，調(diào)用compute()進行判斷及求和，循環(huán)控制變量i記錄循環(huán)輸入數(shù)據(jù)的個數(shù)，因在循環(huán)外還輸入了一個數(shù)，所以求平均值的除數(shù)為(i+1)。

7.6.2變量的存儲類型

在C語言中，每個變量都有兩個屬性：數(shù)據(jù)類型和存儲類型。數(shù)據(jù)的存儲類型是指程序執(zhí)行時數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲方式。了解變量的存儲類型，能指導我們在程序設計中合理地定義數(shù)據(jù)對象，有效地利用存儲器資源。

程序在執(zhí)行時，系統(tǒng)為程序的執(zhí)行劃分了3個內(nèi)存區(qū)域：程序區(qū)、靜態(tài)存儲區(qū)和動態(tài)存儲區(qū)。

分配在動態(tài)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)對象，在程序執(zhí)行過程中對存儲單元的占用情況是動態(tài)變化的。函數(shù)調(diào)用時系統(tǒng)分配存儲單元，返回時自動釋放?？稍趧討B(tài)存儲區(qū)中存儲的數(shù)據(jù)有函數(shù)的形參、自動局部變量、函數(shù)調(diào)用的現(xiàn)場保護和返回地址等。分配在靜態(tài)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)對象，在程序執(zhí)行過程中對存儲單元的占用是固定的。程序執(zhí)行時分配存儲單元，直到結(jié)束時才釋放。靜態(tài)存儲區(qū)一般存儲全局數(shù)據(jù)對象和被定義的靜態(tài)局部變量。

從系統(tǒng)對存儲區(qū)的劃分可以看出，數(shù)據(jù)對象的存儲方式有兩大類：動態(tài)存儲類和靜態(tài)存儲類。程序中定義的全局變量按靜態(tài)存儲方式存儲，局部變量一般按動態(tài)存儲方式存儲。

把變量對存儲單元的占用期稱為生存期。動態(tài)存儲變量的生存期是函數(shù)調(diào)用的期限。靜態(tài)存儲變量的生存期是程序執(zhí)行的期限。系統(tǒng)對局部變量一般自動地按動態(tài)方式存儲，但也允許把局部變量改變?yōu)殪o態(tài)存儲類。為了和CPU內(nèi)部寄存器相聯(lián)系，局部變量可專門定義為寄存器變量。如此，局部變量又可劃分為三個存儲類型：自動變量、靜態(tài)變量和寄存器變量。

1．自動變量

函數(shù)中的局部變量，如沒有專門的定義，都存儲在動態(tài)存儲區(qū)中，動態(tài)分配存儲空間。分配和釋放存儲空間的工作是由系統(tǒng)自動處理的。因此，這類局部變量稱為自動變量。自動變量可以使用關(guān)鍵字“auto”來顯式定義。例如：

在局部變量定義的類型符前再加存儲類關(guān)鍵字“auto”，就形成了完整的自動變量的定義。在局部變量定義的類型符前不加任何存儲類關(guān)鍵字，系統(tǒng)默認為自動變量。所以上面函數(shù)中的變量x、y、a和k都是自動變量。

2．靜態(tài)變量

局部變量也可以定義為靜態(tài)變量，按靜態(tài)方式存儲。靜態(tài)變量定義的一般形式為

static基本類型符變量列表；

即在局部變量的定義前增加靜態(tài)存儲類關(guān)鍵字“static”就定義了靜態(tài)變量。在函數(shù)中定義的靜態(tài)局部變量，函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，所占用的存儲單元不釋放，仍保留變量的值。靜態(tài)存儲類雖然改變了局部變量的生存期，但不改變其作用域。也就是說，函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，保留的值不能被其他函數(shù)引用，只能在下一次調(diào)用時，在本函數(shù)中使用。

例7.14

計算1+2+3+…+100的和，并分析程序的運行結(jié)果和靜態(tài)變量的使用。

編程思路：編寫一個每次累加一個數(shù)的函數(shù)，在函數(shù)中循環(huán)調(diào)用，實現(xiàn)多數(shù)累加?？衫渺o態(tài)局部變量保持前一次的累加值。

運行結(jié)果：

分析：函數(shù)add_one中的靜態(tài)變量s默認初始化為0，每次被調(diào)用時，在保留上一次的結(jié)果上累加本次實參傳遞的值。主函數(shù)每次調(diào)用只得到本次返回值，最終的輸出get_sum是最后一次調(diào)用的返回值。輸出s的值不是最后一次累加的值，而是一個系統(tǒng)隨機數(shù)。這就說明，靜態(tài)局部變量只能在所屬的函數(shù)內(nèi)使用，不能在其他函數(shù)中引用。

3．寄存器變量

寄存器變量是與CPU內(nèi)部寄存器相關(guān)聯(lián)的局部變量。CPU內(nèi)部寄存器的功能是暫存操作數(shù)或中間運算結(jié)果，直接向運算器傳送數(shù)據(jù)，以提高運算速度。把局部變量定義成寄存器變量即為了此目的。寄存器變量定義的一般形式是在定義變量的前面加上寄存器關(guān)鍵字“register”。例如，“registerinti;”就定義了i為寄存器變量。在有些情況下，如果一些變量在程序中要多次使用，將這些變量定義成寄存器變量，可縮短程序的執(zhí)行時間。比如本書中多處所舉的求累加和程序例子，程序中的累加數(shù)變量及累加和變量，在每次累加時都要使用，定義成寄存器變量，可提高程序的執(zhí)行速度。有關(guān)局部變量存儲方式使用的幾點說明：

(1)對局部靜態(tài)變量賦初值是在編譯時進行的，即只賦初值一次，程序運行中保留當前的操作結(jié)果。對自動變量賦初值不是在編譯時進行的，而是在函數(shù)調(diào)用時賦初值，因為每次調(diào)用函數(shù)時，會給自動變量重新分配存儲單元。

(2)如果在定義局部靜態(tài)變量時不賦初值，編譯時自動賦初值0(數(shù)值型變量)或空字符(字符型變量)。如果在定義自動變量時不賦初值，則變量是一個不確定的值(所分配單元的當時值)。

(3)雖然局部靜態(tài)變量在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后仍然存在，但只能在下次調(diào)用時的本函數(shù)內(nèi)使用，不能被其他函數(shù)引用。

7.7用函數(shù)實現(xiàn)模塊化程序設計

怎樣利用函數(shù)實現(xiàn)模塊化程序設計？

C語言函數(shù)是實現(xiàn)模塊化程序設計中的模塊功能的，是程序中功能相對獨立的一個基本單元。模塊化程序設計貫徹“自頂向下，逐步細化，逐層分解”的基本思想，最后形成一個模塊結(jié)構(gòu)的樹形圖，如圖7.1所示。圖中最頂層模塊稱為樹根模塊，沒有下層模塊的模塊稱為樹葉模塊，中間層模塊稱為樹枝模塊。逐層分解是一個抽象到具體的思維過程。在頂層先抓住問題實質(zhì)，暫時忽略細節(jié)，只注重解決問題的大過程。越到下層模塊，越要接近模塊問題處理的方法過程。直到樹葉模塊，需要考慮問題的細節(jié)。模塊分解要遵循“強內(nèi)聚，弱耦合”的原則。這個原則的內(nèi)涵意義是：模塊功能應盡量具有完整性和獨立性，減少對其他模塊的依附性，避免模塊之間傳遞冗余數(shù)據(jù)，盡量減少模塊之間所傳遞數(shù)據(jù)的數(shù)量和復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。問題的功能模塊設計完后，就可以針對模塊設計C語言函數(shù)了。設計C函數(shù)時，一般從樹葉模塊開始，逐層向上進行。也就是說模塊設計是自頂向下，函數(shù)實現(xiàn)是自底向上的。樹葉模塊的函數(shù)設計要考慮解決問題的算法、數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。樹枝層和樹根層模塊主要考慮調(diào)用函數(shù)的接口問題。一般包含調(diào)用函數(shù)時需傳遞哪些數(shù)據(jù)，是什么類型的數(shù)據(jù)，調(diào)用返回需帶什么數(shù)據(jù)，通過什么方式傳回數(shù)據(jù)等。在C語言程序中，模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞主要有兩種方式：一是通過調(diào)用函數(shù)傳遞，傳入數(shù)據(jù)是通過實參與形參的結(jié)合方式，傳出數(shù)據(jù)是函數(shù)的返回值，只能返回一個數(shù)據(jù)；二是通過全局變量來傳遞數(shù)據(jù)，這種傳遞方式是雙向的，既可傳入也可傳出。利用全局變量傳遞數(shù)據(jù)會降低程序的移植性、可靠性和易懂性，會使模塊間的耦合性增強。所以，要盡可能地減少全局變量傳遞數(shù)據(jù)。

下面通過一個設計例子，說明用函數(shù)實現(xiàn)模塊化程序設計的方法及過程，請認真體會。

例7.15

設計程序，實現(xiàn)用弦截法求方程的根。

(1)算法分析。

①取兩個不同點x1、x2，如果f(x1)和f(x2)符號相反，則(x1，x2)區(qū)間必有一個根。如果f(x1)和f(x2)同號，則改變x1、x2，直到f(x1)和f(x2)異號。注意x1、x2的值不宜相差太大，以保證(x1，x2)區(qū)間只有一個根。

②連接f(x1)和f(x2)對應的兩點，連線(即弦)交于x，如圖7.10所示。x點坐標可由下式求出，再從x求出f(x)。

圖7.10弦截法求根示意圖

③若f(x)與f(x1)同符號，則根必在(x，x2)區(qū)間，此時將x作為x1。如果f(x)與f(x2)同符號，則根必在(x1，x)區(qū)間，此時將x作為x2。

④重復步驟②和③，直到|f(x)|<ε，ε是一很小的數(shù)，說明|f(x)|接近于0，此時的x即為方程的近似根。

(2)模塊設計。

根據(jù)上述迭代算法，從頂層看，應包含輸入初始x坐標點x1，x2模塊、求根模塊和根輸出模塊。輸入和輸出模塊可調(diào)用庫函數(shù)實現(xiàn)。關(guān)鍵是求根模塊的實現(xiàn)。

求根模塊從算法分析可知，求根是一個迭代過程。在迭代過程中求根是目的，但需求出弦交點，求弦交點又需求函數(shù)值。在迭代過程中這三個模塊需反復調(diào)用。為了程序的可讀性、通用性、可靠性，可將求根、求弦交點、求函數(shù)值劃分為3個模塊。模塊劃分如圖7.11所示。

圖7.11弦截法求根模塊運行結(jié)果：

分析：程序從main函數(shù)開始執(zhí)行。先執(zhí)行d0_while循環(huán)，輸入x1和x2，判斷f(x1)和f(x2)是否異號。如果非異號，則重新輸入x1和x2的值，直到滿