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分类: C/C++
2008-09-03 16:18:18
4 函数设计
函数是C++/C程序的基本功能单元,其重要性不言而喻。函数设计的细微缺点很容易导致该函数被错用,所以光使函数的功能正确是不够的。本章重点论述函数的接口设计和内部实现的一些规则。
函数接口的两个要素是参数和返回值。C语言中,函数的参数和返回值的传递方式有两种:值传递(pass by value)和指针传递(pass by pointer)。C++ 语言中多了引用传递(pass by reference)。由于引用传递的性质象指针传递,而使用方式却象值传递,初学者常常迷惑不解,容易引起混乱,请先阅读6.6节“引用与指针的比较”。
4.1 参数的规则
☆
【规则4.1-1】
参数的书写要完整,不要贪图省事只写参数的类型而省略参数名字,如果函数没有参数,则用void填充;例如:
void SetValue(int nWidth, int nHeight); // 良好的风格
void SetValue(int,
int);
// 不良的风格
float GetValue(void);
// 良好的风格
float
GetValue();
// 不良的风格
☆
【规则4.1-2】
参数命名要恰当,顺序要合理;
例如编写字符串拷贝函数StringCopy,它有两个参数,如果把参数 名字起为str1和str2,例如:
void StringCopy(char *str1, char *str2);
那么我们很难搞清楚究竟是把str1拷贝到str2中,还是刚好倒过来,可以把参数名字起得更有意义,如叫strSource和strDestination。这样从名字上就可以看出应该把strSource拷贝到strDestination。还有一个问题,这两个参数那一个该在前那一个该在后?参数的顺序要遵循程序员的习惯。一般地,应将目的参数放在前面,源参数放在后面。如果将函数声明为:
void StringCopy(char *strSource, char *strDestination);
别人在使用时可能会不假思索地写成如下形式:
char str[20];
StringCopy(str, “Hello
World”); // 参数顺序颠倒
☆
【规则4.1-3】
如果参数是指针,且仅作输入用,则应在类型前加const,以防止该指针在函数体内被意外修改。例如:
void StringCopy(char *strDestination,const char *strSource);
☆
【规则4.1-4】
如果输入参数以值传递的方式传递对象,则宜改用“const &”方式来传递,这样可以省去临时对象的构造和析构过程,从而提高效率;
☆
【建议4.1-1】
避免函数有太多的参数,参数个数尽量控制在5个以内。如果参数太多,在使用时容易将参数类型或顺序搞错;
☆
【建议4.1-2】
尽量不要使用类型和数目不确定的参数;
C标准库函数printf是采用不确定参数的典型代表,其原型为:
int printf(const chat *format[,
argument]…);
这种风格的函数在编译时丧失了严格的类型安全检查。
4.2 返回值的规则
☆
【规则4.2-1】
不要省略返回值的类型;
C语言中,凡不加类型说明的函数,一律自动按整型处理,这样做不会有什么好处,却容易被误解为void类型;
C++语言有很严格的类型安全检查,不允许上述情况发生。由于C++程序可以调用C函数,为了避免混乱,规定任何C++/ C函数都必须有类型。如果函数没有返回值,那么应声明为void类型
☆
【规则4.2-2】
函数名字与返回值类型在语义上不可冲突;
违反这条规则的典型代表是C标准库函数getchar。
例如:
char c;
c = getchar();
if (c == EOF)
…
按照getchar名字的意思,将变量c声明为char类型是很自然的事情。但不幸的是getchar的确不是char类型,而是int类型,其原型如下:
int getchar(void);
由于c是char类型,取值范围是[-128,127],如果宏EOF的值在char的取值范围之外,那么if语句将总是失败,这种“危险”人们一般哪里料得到!导致本例错误的责任并不在用户,是函数getchar误导了使用者
☆
【规则4.2-3】
不要将正常值和错误标志混在一起返回。正常值用输出参数获得,而错误标志用return语句返回;
☆
【建议4.2-1】
有时候函数原本不需要返回值,但为了增加灵活性如支持链式表达,可以附加返回值;
例如字符串拷贝函数strcpy的原型:
char *strcpy(char *strDest,const char *strSrc);
strcpy函数将strSrc拷贝至输出参数strDest中,同时函数的返回值又是strDest。这样做并非多此一举,可以获得如下灵活性:
char str[20];
int nLength = strlen( strcpy(str, “Hello World”) );
☆
【建议4.2-2】
如果函数的返回值是一个对象,有些场合用“引用传递”替换“值传递”可以提高效率。而有些场合只能用“值传递”而不能用“引用传递”,否则会出错;
对于建议4.2-2,如果函数的返回值是一个对象,有些场合用“引用传递”替换“值传递”可以提高效率,而有些场合只能用“值传递”而不能用“引用传递”,否则会出错,例如:
class String
{…
// 赋值函数
String & operate=(const String
&other);
// 相加函数,如果没有friend修饰则只许有一个右侧参数
friend String operate+( const String
&s1, const String &s2);
private:
char *m_data;
};
String的赋值函数operate
= 的实现如下:
String & String::operate=(const String &other)
{
if (this == &other)
return
*this;
delete m_data;
m_data = new
char[strlen(other.data)+1];
strcpy(m_data, other.data);
return *this; // 返回的是 *this的引用,无需拷贝过程
}
对于赋值函数,应当用“引用传递”的方式返回String对象。如果用“值传递”的方式,虽然功能仍然正确,但由于return语句要把 *this拷贝到保存返回值的外部存储单元之中,增加了不必要的开销,降低了赋值函数的效率。例如:
String a,b,c;
…
a = b; // 如果用“值传递”,将产生一次 *this 拷贝
a = b = c; // 如果用“值传递”,将产生两次 *this 拷贝
String的相加函数operate + 的实现如下:
String operate+(const String &s1, const String
&s2)
{
String temp;
delete temp.data; //
temp.data是仅含‘\
temp.data = new
char[strlen(s1.data) + strlen(s2.data) +1];
strcpy(temp.data, s1.data);
strcat(temp.data, s2.data);
return temp;
}
对于相加函数,应当用“值传递”的方式返回String对象。如果改用“引用传递”,那么函数返回值是一个指向局部对象temp的“引用”。由于temp在函数结束时被自动销毁,将导致返回的“引用”无效。例如:
c = a + b;
此时 a + b 并不返回期望值,c什么也得不到,流下了隐患。
4.3 函数内部实现的规则
不同功能的函数其内部实现各不相同,看起来似乎无法就“内部实现”达成一致的观点。但根据经验,我们可以在函数体的“入口处”和“出口处”从严把关,从而提高函数的质量。
☆
【规则4.3-1】
在函数体的“入口处”,对参数的有效性进行检查;
很多程序错误是由非法参数引起的,我们应该充分理解并正确使用“断言”(assert)来防止此类错误。详见4.5节“使用断言”
☆
【规则4.3-2】
在函数体的“出口处”,对return语句的正确性和效率进行检查;
注意事项如下:
(1) return语句不可返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”,因为该内存在函数体结束时被自动销毁,例如:
char * Func(void)
{
char str[] = “hello world”; //
str的内存位于栈上
…
return
str; // 将导致错误
}
(2) 要搞清楚返回的究竟是“值”、“指针”还是“引用”;
(3) 如果函数返回值是一个对象,要考虑return语句的效率,例如:
return String(s1 +
s2);
这是临时对象的语法,表示“创建一个临时对象并返回它”,不要以为它与“先创建一个局部对象temp并返回它的结果”是等价的,如
String temp(s1 +
s2);
return temp;
实质不然,上述代码将发生三件事。
首先,temp对象被创建,同时完成初始化;
然后拷贝构造函数把temp拷贝到保存返回值的外部存储单元中;
最后,temp在函数结束时被销毁(调用析构函数)。
然而“创建一个临时对象并返回它”的过程是不同的,编译器直接把临时对象创建并初始化在外部存储单元中,省去了拷贝和析构的化费,提高了效率。
类似地,我们不要将
return int(x +
y); // 创建一个临时变量并返回它
写成
int temp = x + y;
return temp;
由于内部数据类型如int,float,double的变量不存在构造函数与析构函数,虽然该“临时变量的语法”不会提高多少效率,但是程序更加简洁易读。
4.4 其它建议
☆
【建议4.4-1】
函数的功能要单一,不要设计多用途的函数;
☆
【建议4.4-2】
函数体的规模要小,尽量控制在150行代码之内;
☆
【建议4.4-3】
尽量避免函数带有“记忆”功能。相同的输入应当产生相同的输出带有“记忆”功能的函数,其行为可能是不可预测的,因为它的行为可能取决于某种“记忆状态”。这样的函数既不易理解又不利于测试和维护。在C/C++语言中,函数的static局部变量是函数的“记忆”存储器。建议尽量少用static局部变量,除非必需。
☆
【建议4.4-4】
不仅要检查输入参数的有效性,还要检查通过其它途径进入函数体内的变量的有效性,例如全局变量、文件句柄等;
☆
【建议4.4-5】
用于出错处理的返回值一定要清楚,让使用者不容易忽视或误解错误情况。
4.5 使用断言
程序一般分为Debug版本和Release版本,Debug版本用于内部调试,Release版本发行给用户使用。
断言assert是仅在Debug版本起作用的宏,它用于检查“不应该”发生的情况。示例4.5是一个内存复制函数。在运行过程中,如果assert的参数为假,那么程序就会中止(一般地还会出现提示对话,说明在什么地方引发了assert)。
void *memcpy(void *pvTo, const void *pvFrom,
size_t size) { assert((pvTo != NULL)
&& (pvFrom != NULL)); // 使用断言 byte *pbTo = (byte *)
pvTo; // 防止改变pvTo的地址 byte *pbFrom = (byte *)
pvFrom; // 防止改变pvFrom的地址 while(size -- > 0 ) *pbTo
++ = *pbFrom ++ ; return pvTo; } |
示例4.5 复制不重叠的内存块
assert不是一个仓促拼凑起来的宏。为了不在程序的Debug版本和Release版本引起差别,assert不应该产生任何副作用。所以assert不是函数,而是宏。程序员可以把assert看成一个在任何系统状态下都可以安全使用的无害测试手段。如果程序在assert处终止了,并不是说含有该assert的函数有错误,而是调用者出了差错,assert可以帮助我们找到发生错误的原因。
☆
【规则4.5-1】
使用断言捕捉不应该发生的非法情况,不要混淆非法情况与错误情况之间的区别,后者是必然存在的并且是一定要作出处理的;
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【规则4.5-2】
在函数的入口处,使用断言检查参数的有效性(合法性);
☆
【建议4.5-1】
在编写函数时,要进行反复的考查,并且自问:“我打算做哪些假定?”一旦确定了的假定,就要使用断言对假定进行检查;
☆
【建议4.5-2】
一般教科书都鼓励程序员们进行防错设计,但要记住这种编程风格可能会隐瞒错误。当进行防错设计时,如果“不可能发生”的事情的确发生了,则要使用断言进行报警。
4.6 引用与指针的比较
引用是C++中的概念,初学者容易把引用和指针混淆一起。一下程序中,n是m的一个引用(reference),m是被引用物(referent)。
int m;
int &n = m;
n相当于m的别名(绰号),对n的任何操作就是对m的操作。所以n既不是m的拷贝,也不是指向m的指针,其实n就是m它自己。
引用的一些规则如下:
(1)
引用被创建的同时必须被初始化(指针则可以在任何时候被初始化);
(2)
不能有NULL引用,引用必须与合法的存储单元关联(指针则可以是NULL);
(3)
一旦引用被初始化,就不能改变引用的关系(指针则可以随时改变所指的对象)。
以下示例程序中,k被初始化为i的引用。语句k = j并不能将k修改成为j的引用,只是把k的值改变成为6。由于k是i的引用,所以i的值也变成了6。
int i = 5;
int j = 6;
int &k = i;
k = j; // k和i的值都变成了6;
上面的程序看起来象在玩文字游戏,没有体现出引用的价值。引用的主要功能是传递函数的参数和返回值。C++语言中,函数的参数和返回值的传递方式有三种:值传递、指针传递和引用传递。
以下是“值传递”的示例程序。由于Func1函数体内的x是外部变量n的一份拷贝,改变x的值不会影响n, 所以n的值仍然是0。
void Func1(int x)
{
x = x + 10;
}
…
int n = 0;
Func1(n);
cout << “n
= ” << n << endl; // n = 0
以下是“指针传递”的示例程序。由于Func2函数体内的x是指向外部变量n的指针,改变该指针的内容将导致n的值改变,所以n的值成为10。
void Func2(int *x)
{
(* x) = (* x) + 10;
}
…
int n = 0;
Func2(&n);
cout << “n
= ” << n <<
endl; // n = 10
以下是“引用传递”的示例程序。由于Func3函数体内的x是外部变量n的引用,x和n是同一个东西,改变x等于改变n,所以n的值成为10。
void Func3(int &x)
{
x = x + 10;
}
…
int n = 0;
Func3(n);
cout << “n = ” << n <<
endl; // n = 10
对比上述三个示例程序,会发现“引用传递”的性质象“指针传递”,而书写方式象“值传递”。
5 附录
5.1 变量类型定义
类 型 |
规 则 |
范 例 |
bool(BOOL) |
用b开头 |
bIsParent |
byte(BYTE) |
用by开头 |
byFlag |
short(SHORT) |
用n开头 |
nFileLen |
int(INT) |
用n开头 |
nStepCount |
long(LONG) |
用l开头 |
lSize |
char(CHAR) |
用ch开头 |
chCount |
unsigned short(WORD) |
用w开头 |
wLength |
unsigned long(DWORD) |
用dw开头 |
dwBroad |
void(VOID) |
用v开头 |
vVariant |
用0结尾的字符串 |
用sz开头 |
szFileName |
LPCSTR(LPCTSTR) |
用str开头 |
strString |
HANDLE(HINSTANCE) |
用h开头 |
hHandle |
struct |
用blk开头 |
blkTemplate |
BYTE* |
用pb开头 |
pbValue |
WORD* |
用pw开头 |
pwValue |
LONG* |
用pl开头 |
plValue |