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C 语言函数指针的一些理解

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函数指针属于 C 语言的进阶内容之一，前两天研究 tinyhttpd 时，碰到了函数指针，产生了一些疑问...

普通指针

在研究函数指针之前，先回顾一下普通指针，先看下面的代码：

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#include <stdio.h>
struct point {
    int x, y;
};  

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int a = 10, *pa = &a;
    printf("*pa = %d, a = %d\n", *pa, a);

    float f = 1.0, *pf = &f;
    printf("*pf = %f, f = %f\n", *pf, f);

    struct point A, *pA = &A;
    A.x = 3, A.y = 3;
    printf("A.x = %d, A.y = %d\n", A.x, A.y);
    printf("pA->x = %d, pA->y = %d\n", pA->x, pA->y);
    printf("*pA.x = %d, *pA.y = %d\n", (*pA).x, (*pA).y);

    return 0;
}

/*
output:
*pa = 10, a = 10
*pf = 1.000000, f = 1.000000
A.x = 3, A.y = 3
pA->x = 3, pA->y = 3
*pA.x = 3, *pA.y = 3
sizeof(pa) = 4
sizeof(pf) = 4
sizeof(pA) = 4

*/

从输出结果可以看出，不管是普通变量的指针，还是结构体的指针，都是普通的指针变量，而指针的本质就是保存地址的变量，通过这个地址可以找到对应的变量。利用&符号，可以得到变量的地址从而赋值给指针变量，这样这个指针变量就指向了使用&运算符的变量。

函数指针

现在，回到对函数指针的思考上，首先应该要认识的是：函数指针的本质还是指针，它与普通指针没有什么差别，还是指针变量，只不过这个指针变量指向的是函数，就跟不同类型的指针变量指向对应类型的变量一样。
通过上面的代码，我们知道&符号可以取出一个变量的地址，那函数的地址是不是也可以这样取出呢？写个程序测试一下：

test1
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#include <stdio.h>

void fun() { }

int main(int argc, char const *argv[]) {
    printf("&fun = %p\n", &fun);
    printf("sizeof(&fun) = %d\n", sizeof(&fun));
    return 0;
}
/*
output:
&fun = 00401460
sizeof(&fun) = 4
*/

可以发现使用&符号的确可以输出函数的地址，同时使用sizeof关键字得到了“取出的地址”的大小。按照前面的思路，我们知道这是一个指针，但这是个什么类型的指针，不知道，为什么是 4，也不知道，但我们可以再多写点代码验证一下思路：

test2
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#include <stdio.h>

void fun() { }

int main(int argc, char const *argv[]) {
    printf("&fun = %p\n", &fun);
    printf("sizeof(&fun) = %d\n", sizeof(&fun));
    int i = 10, *pi = &i;
    printf("sizeof(&i) = %d\n", sizeof(&i));
    printf("*pi = %d, sizeof(pi) = %d\n", *pi, sizeof(pi));
    return 0;
}
/*
&fun = 00401460
sizeof(&fun) = 4
sizeof(&i) = 4
*pi = 10, sizeof(pi) = 4
*/

现在，可以很清楚的确定，利用&取出的函数的地址与指针变量是一样，它们都是 4 个字节的大小，那么也就是说函数指针也是一种指针变量，这与前面的思路是一致的。

了解函数指针大概是什么样子的后，肯定会冒出这样的问题：怎么使用函数指针变量指向某个函数呢？换句话说，就是如何像使用int i, *a = &i;这样，声明某个指针变量并指向某个函数呢？

显然，这个问题 C 语言肯定是有规定的，函数指针的声明方式与函数声明是类似的，只是需要加上*和()。同样，我们用代码说话：

test3
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#include <stdio.h>

int fun(int a) {
    printf("In fun, a = %d\n", a);
    return a;
}

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int (*pf)(int) = &fun, a = 10;
    pf(a);
    return 0;
}

/*
output:
In fun, a = 10
*/

在上面的代码中，声明了一个函数指针变量pf指向函数fun，然后通过pf指针，调用了函数fun，输出a的值。相比函数的声明而言，有两个特点：

  1. 省略了参数名，但不能省略参数类型，且必须与被指向的函数参数类型、数量一致
  2. 需要用*和()讲指针名括起来

按照上面的思路，可以知道函数指针的声明方式是[return-type] (*pointer-name)(parameter-list)。

现在，我们在上面的代码中尝试将函数指针作为函数的参数使用：

test4
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#include <stdio.h>

int fun(int a) {
    printf("In fun, a = %d\n", a);
    return a;
}

void func(int (*pf)(int)) {
    int a = 10;
    pf(a);
}

int main(int argc, char const *argv[]) {
    func(&fun);
    return 0;
}
/*
output:
In fun, a = 10
*/

test3 和 test4 两段代码的输出结果是完全一致的，不同的是在 test4 中，直接使用函数指针作为另一函数的参数，然后在另一函数中通过函数指针调用这个函数。可以发现，函数指针作为函数参数的写法与其声明没有太大差异。

数组指针

现在我们再回顾一下数组指针的用法，先看下面的代码：

test5
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#include <stdio.h>

void fun(int *pa) {
    printf("*pa = %d\n", *pa);
    printf("sizeof(pa) = %d\n", sizeof(pa));
}

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    fun(a);
    printf("sizeof(a) = %d\n", sizeof(a));
    int (*parr)[5] = &a;
    printf("a = %p, &a = %p\n", a, &a);
    printf("parr = %p\n", parr);
    printf("*parr = %d\n", *parr);
    printf("sizeof(&a) = %d\n", sizeof(&a));
    printf("sizeof(parr) = %d\n", sizeof(parr));
    return 0;
}
/*
*pa = 1
sizeof(pa) = 4
sizeof(a) = 20
a = 0061FF08, &a = 0061FF08
parr = 0061FF08
*parr = 6422280
sizeof(&a) = 4
sizeof(parr) = 4

我们知道数组名就表示数组的首地址，所以可以将数组名直接作为函数的参数，从而传入数组的地址，但数组名和指向数组的指针是两个完全不同的东西，这一点可以通过sizeof关键字看出，也就是说parr跟&a是同一类事物——二者都是数组指针，对应的它的类型声明才是数组指针的声明，而sizeof则认为a是一个数组，所以sizeof(a) = 20。从这里也可以看出，数组指针的声明与函数指针类似，有两个条件需要指定：

  1. 数组的类型
  2. 数组的维度

不过，实际上，C 语言存在隐式类型转换（还有兼容老版本写法之类的历史遗留原因等），所以有时候写法不严格，编译也可以通过，但会产生 warnings，总之尽量保持类型一致，不要出现 warnings。
但这里有意思的是，数组名作为地址可以直接作为指针传给函数使用，那函数名呢？当然也可以了~
那么，test4 的代码可以改成：

test4_1
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#include <stdio.h>

int fun(int a) {
    printf("In fun, a = %d\n", a);
    return a;
}

// void func(int (*pf)(int)) {
void func(int pf(int)) {
    int a = 10;
    pf(a);
}

int main(int argc, char const *argv[]) {
    // func(&fun);
    func(fun);
    return 0;
}
/*
output:
In fun, a = 10
*/

在上面的代码中，有两个改动的地方：

  1. 函数指针做参数的函数声明中，去掉了*
  2. 直接将函数名作为参数传入另一个函数中，去掉了&

虽然这两处改动都不影响使用，但是读起来容易引起混淆，语义不明确，这应该是某种“历史遗留写法”，最好不要这样写。
实际上，我们可以通过sizeof来观察一下函数名与函数指针的差异，再添几行代码：

test6
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#include <stdio.h>

void func() { }

int main(int argc, char const *argv[]) {
    printf("sizeof(func) = %d, sizeof(&func) = %d\n", sizeof(func), sizeof(&func));

    return 0;
}
/*
output:
sizeof(func) = 1, sizeof(&func) = 4
*/

显然，与数组类似，函数名与函数指针也是两个不同的东西。

指针数组

接下来，在看看指针数组（反着叫又是另外一种东西了😂）的用法，直接看下面的代码：

test7
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#include <stdio.h>

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int a = 10, b = 20;
    int *parr[2] = {&a, &b};
    printf("%d, %d\n", *parr[0], *parr[1]);
    return 0;
}

其实就是在指针后面加上了[]符号，对于其他类型也是一样的用法。

函数指针数组

说完了函数指针也数组指针的区别，见到了指针数组的用法，接下来，再来看看如何使用函数指针数组。
假设我们要计算两个整数的四则运算结果，为了使用到函数指针数组，先定义四个函数，然后放到函数指针数组中，再利用函数指针数组逐个调用函数完成计算。
按照这样的思路，可以写出以下代码：

test8
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#include <stdio.h>

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

int minus(int a, int b) {
    return a - b;
}

int mult(int a, int b) {
    return a * b;
}

int div(int a, int b) {
    return a / b;
}

int main(int argc, char const *argv[]) {
    int a = 10, b = 10;
    int (*pfun[4])(int, int) = {add, minus, mult, div};
    for(int i = 0; i < 4; i++) 
        printf("pfun[%d](a, b) = %d\n", i, pfun[i](a, b));
    return 0;
}
/*
output:
pfun[0](a, b) = 20
pfun[1](a, b) = 0
pfun[2](a, b) = 100
pfun[3](a, b) = 1
*/

实际上，函数指针数组也就是在函数指针中间加上[]，这与指针数组是类似的。但是要注意的是，函数指针数组只能保存“同一类”函数指针，而“同一类”在这里是指返回类型和参数列表需要一致。

总结

虽然这篇文章题目叫做函数指针，但是目前我们一共学习了五种不同的与指针相关的概念和用法，分别是：

  1. 普通指针
  2. 数组指针
  3. 函数指针
  4. 指针数组
  5. 函数指针数组

同时，还认识到了数组名与数组指针、函数名与函数指针的区别。这些都只是指针用法的冰山一角，指针还有很多其他的用法，比如通过指针在函数中修改实参的值，或者是在 C++ 中用父类指针指向子类对象，调用子类方法，从而实现动态多态等等。
所以，学习之路还很漫长啊~😪