【重拾C语言】五、模块化程序设计——函数（定义、调用、参数传递、结果返回、函数原型；典例：打印字符图形、验证哥德巴赫猜想）

目录

前言

五、模块化程序设计——函数

5.1 计算三角形的重心

5.2 函数

5.2.1 函数定义

5.2.2 函数调用

a. 函数调用的形式和过程

b. 参数传递

值传递

指针传递

c. 函数结果返回

5.2.3 函数原型（先调用后定义）

5.3 程序设计实例

5.3.1 打印字符图形

5.3.2 哥德巴赫猜想

5.4  程序调试

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前言

        本文介绍了模块化程序设计——函数，其中包括如何定义函数、函数的调用形式和过程、参数传递（值传递和指针传递）、函数结果的返回以及函数原型的使用。具体的程序设计实例有打印字符图形和验证哥德巴赫猜想。

五、模块化程序设计——函数

        在C语言中，我们可以使用函数实现模块化程序设计，将一些独立功能的部分写成单独的函数，使得程序更加结构化和清晰。

5.1 计算三角形的重心

        我们可以根据给定的三角形顶点坐标（x1, y1）、（x2, y2）和（x3, y3）来计算三角形的重心。重心G的坐标计算公式如下：

        以下是使用C语言实现的函数：

#include 
 
void centroid(float x1, float y1, float x2, float y2, float x3, float y3, float *Gx, float *Gy) {
  *Gx = (x1 + x2 + x3) / 3;
  *Gy = (y1 + y2 + y3) / 3;
}
 
int main() {
  float x1, y1, x2, y2, x3, y3, Gx, Gy;
  scanf("%f%f%f%f%f%f", &x1, &y1, &x2, &y2, &x3, &y3);
  centroid(x1, y1, x2, y2, x3, y3, &Gx, &Gy);
  printf("Centroid of the triangle is: (%.2f, %.2f)\n", Gx, Gy);
  return 0;
}

        （关于指针的使用详见本系列后文）

5.2 函数

5.2.1 函数定义

        函数定义包括返回值类型、函数名、参数列表以及函数体。

类型符 函数名(形式参数表) {
    函数体
}

        其中，返回类型符指定了函数返回的数据类型，可以是基本数据类型（如int、char、float等）或自定义的数据类型。函数名是函数的标识符，用于在程序中调用该函数。参数列表是一组用逗号分隔的参数，可以包含零个或多个参数，每个参数包括参数类型和参数名。函数体是函数的具体实现代码，包括一系列语句和操作。以上面 centroid 函数为例：

        函数的目的是计算一个三角形的质心坐标。它接受6个输入参数，分别是三角形的3个顶点的x和y坐标（x1, y1, x2, y2, x3, y3），以及两个指针变量（float *Gx和float *Gy），用于存储计算得到的质心的x和y坐标。

        在函数体中，通过将三个顶点的x坐标相加并除以3，将结果存储在*Gx指向的内存位置中，表示质心的x坐标。同样，将三个顶点的y坐标相加并除以3，将结果存储在*Gy指向的内存位置中，表示质心的y坐标。

        请注意，在C语言中，函数的声明和定义可以分开进行，即可以在程序的开头声明函数的原型（函数名、参数列表和返回类型），然后在后面的位置实现函数的定义。这种分离的方式可以提供更好的代码组织和模块化。

（详见5.2.3 函数原型）

5.2.2 函数调用

函数名(实际参数表)

        函数调用是在主函数或其他函数中使用已定义的函数。通过函数名和实际参数列表来调用函数。例如，在 main 函数中，我们调用了 centroid 函数并传入了6个实际参数和2个用于存储结果的指针。

• 定义一个函数后，就可以在程序中调用这个函数：
  • 标准库函数：在程序的最前面用#include命令包含相应的头文件。
  • 自定义函数：程序中必须有相对应的函数定义。

a. 函数调用的形式和过程

        在C语言中，函数调用通过函数名和实际参数列表的形式进行。函数调用的一般形式是：

函数名(参数1, 参数2, ...);

        其中，函数名是要调用的函数的名称，参数是传递给函数的输入值。

函数调用的过程如下：

• 程序执行到函数调用的位置时，会跳转到被调用函数的起始位置。
• 在被调用函数中，执行函数体中的语句，处理传递进来的参数。
• 如果函数有返回值，计算并返回结果。
• 执行完函数体中的语句后，返回到函数调用的下一条语句，继续执行。

b. 参数传递

        在C语言中，函数参数可以通过值传递（传递参数的副本）或指针传递（传递参数的地址）的方式进行传递。

• 值传递

  • 当使用值传递方式传递参数时，函数内部对参数的修改不会影响到函数外部的变量。即函数内部操作的是参数的副本。

• 指针传递

  • 当使用指针传递方式传递参数时，函数内部可以通过指针来访问和修改函数外部的变量。通过传递变量的地址，函数可以直接对原始变量进行操作。

（关于指针相关知识详见后文）

c. 函数结果返回

• 函数可以有返回值，也可以没有返回值。函数的返回值通过 return 语句来指定。
• 函数的返回值可以是任意基本类型（如整数、浮点数等），也可以是指针类型或结构体类型。
• 在函数中使用 return 语句将结果返回给调用函数。返回值可以直接返回，也可以存储在变量中后再返回。

例如，以下是一个函数的示例，它计算两个整数的和并返回结果：

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

在调用该函数时，可以将返回值赋给一个变量：

int result = add(3, 5);

        在这个例子中，函数 add 接收两个整数参数 a 和 b，计算它们的和并将结果返回。函数调用 add(3, 5) 的结果为 8，然后将返回值 8 赋给变量 result。

5.2.3 函数原型（先调用后定义）

        函数原型是函数定义的简化形式，用于告诉编译器函数的信息，包括函数的返回值类型、函数名和参数列表（包括参数类型和参数名）。函数原型的目的是在函数调用之前提供函数的声明，让编译器知道函数的存在及其参数和返回值的类型。

        在C语言中，函数原型的语法形式为：

返回值类型 函数名(参数列表);

        例如，对于之前提到的 centroid 函数，可以编写函数原型如下：

void centroid(float x1, float y1, float x2, float y2, float x3, float y3, float *Gx, float *Gy);

        通过提供函数原型，我们可以在主函数之前声明函数，使得编译器能够正确地解析函数调用，并检查函数调用的参数类型和返回值类型的匹配性。这提高了程序的可读性和可维护性。在本例5.1中，函数原型可以省略，因为我们把 centroid 函数放在 main 函数的前面。

        在程序的开头声明函数的原型：

#include 
 
void centroid(float x1, float y1, float x2, float y2, float x3, float y3, float *Gx, float *Gy);
 
int main() {
  float x1, y1, x2, y2, x3, y3, Gx, Gy;
  scanf("%f%f%f%f%f%f", &x1, &y1, &x2, &y2, &x3, &y3);
  centroid(x1, y1, x2, y2, x3, y3, &Gx, &Gy);
  printf("Centroid of the triangle is: (%.2f, %.2f)\n", Gx, Gy);
  return 0;
}
 
 
void centroid(float x1, float y1, float x2, float y2, float x3, float y3, float *Gx, float *Gy) {
  *Gx = (x1 + x2 + x3) / 3;
  *Gy = (y1 + y2 + y3) / 3;
}

5.3 程序设计实例

5.3.1 打印字符图形

#include 
 
void printCharacterPattern(int n) {
    int i, j, space;
 
    // 打印上半部分
    for (i = 1; i <= n; i++) {
        // 打印空格
        for (space = 1; space <= n - i; space++) {
            printf("  ");
        }
 
        // 打印字母
        for (j = 1; j <= (2 * i) - 1; j++) {
            printf("%c ", 'A' + i - 1);
        }
 
        printf("\n");
    }
 
    // 打印下半部分
    for (i = n - 1; i >= 1; i--) {
        // 打印空格
        for (space = 1; space <= n - i; space++) {
            printf("  ");
        }
 
        // 打印字母
        for (j = 1; j <= (2 * i) - 1; j++) {
            printf("%c ", 'A' + i - 1);
        }
 
        printf("\n");
    }
}
 
int main() {
    int n;
 
    printf("Enter the number of lines: ");
    scanf("%d", &n);
    printf("\n");
    printCharacterPattern(n);
 
    return 0;
}

5.3.2 哥德巴赫猜想

        哥德巴赫猜想：任意一个大于2的偶数都可以表示成两个素数之和。我们可以编写一个函数，找到两个素数，使它们的和等于一个给定的偶数。

#include 
 
int isPrime(int number) {
    int i;
 
    if (number <= 1) {
        return 0;
    }
 
    for (i = 2; i <= number / 2; i++) {
        if (number % i == 0) {
            return 0;
        }
    }
 
    return 1;
}
 
void verifyGoldbachConjecture(int n) {
    int i, flag = 0;
 
    if (n % 2 != 0 || n <= 2) {
        printf("Invalid input! Please enter an even number greater than 2.\n");
        return;
    }
 
    for (i = 2; i <= n / 2; i++) {
        if (isPrime(i) && isPrime(n - i)) {
            printf("%d = %d + %d\n", n, i, n - i);
            flag = 1;
        }
    }
 
    if (flag == 0) {
        printf("The Goldbach conjecture is not verified for the number %d.\n", n);
    }
}
 
int main() {
    int n;
 
    printf("Enter an even number greater than 2: ");
    scanf("%d", &n);
 
    verifyGoldbachConjecture(n);
 
    return 0;
}

• 在上面的代码中，定义了两个函数：isPrime和verifyGoldbachConjecture。
  • isPrime函数用于检查一个数是否是素数；
  • verifyGoldbachConjecture函数用于验证哥德巴赫猜想。
    • 首先检查输入是否为一个大于2的偶数，然后通过遍历所有可能的素数对来验证猜想。如果找到满足猜想的素数对，则打印出相应的表示；如果找不到满足猜想的素数对，则输出相应的提示信息。

5.4  程序调试

ChatGPT：

        程序调试是指对程序进行测试和排除错误的过程。在程序开发过程中，经常会出现各种错误，比如语法错误、逻辑错误、运行时错误等。调试的目标是找出程序中存在的错误并修复它们，确保程序能够按照预期的方式运行。

下面是一些常见的程序调试技术和方法：

1. 打印调试信息：通过在关键位置插入打印语句，输出变量的值或程序执行到达的位置，以便观察程序的执行过程和状态，从而找出问题所在。

2. 使用调试器：调试器是一种工具，可以用来逐步执行程序、观察变量的值、检查内存和寄存器的状态，以及跟踪程序的执行流程。通过调试器，可以更深入地分析程序的运行情况和定位错误。

3. 单元测试：编写针对程序中单个函数或模块的测试用例，验证其是否按照预期工作。通过逐个测试函数，可以逐步排查错误并验证程序的正确性。

4. 边界值测试：针对程序处理数据的边界情况进行测试，包括最大值、最小值、边界条件等。边界值测试可以揭示一些潜在的问题，如数组越界、整数溢出等。

5. 追踪错误：对于运行时错误，可以使用追踪技术来定位错误发生的位置。可以通过观察错误信息、栈跟踪和日志等来追踪错误的来源，进而修复问题。

6. 代码审查：请同事或其他开发人员对代码进行审查，有时候他们能够发现你忽略的问题或提出改进的建议。

        在进行程序调试时，建议采用自底向上的方法，逐步调试和测试程序的不同部分，确保每个部分的正确性，最后再整体进行测试。