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C++函数指针详解

2024-10-03 04:57 由 菲杰克PhyJack 发表于 #后端开发

概述

本文详细介绍了C/C++中的普通函数和类的成员函数的指针。结合C++代码示例讲解了函数指针作为其他函数的输入、返回值以及typedef如何提高代码可读性的实用技巧。对于类的成员函数（方法）指针，则分为静态和非静态两种情况。最后总结了普通函数、类的非静态成员函数、类的静态成员函数的声明、赋值和定义的C++语法以供查阅。

普通函数的指针

声明、定义和赋值

首先让我们来区别以下4条声明语句：

int x;      // x是一个int型的变量
int *x;     // x是一个指向int型变量的指针
int *x();   // x是一个返回int型指针的函数
int (*x)(); // x是一个函数指针，输入参数为空，返回类型为int型指针

因此，把一个名为fun的函数的声明语句变为函数指针变量pfun的声明语句，只需要将 fun 变为 (*pfun)，其他的不变即可（注意：小括号必不可少！）。

double fun(string& str1, string &str2);       // 函数fun的声明
double (*pfun)(string& str1, string &str2);   // 函数指针变量pfun的声明

在C/C++中，数组变量的名字是一个指向该数组元素类型的指针常量（存放首元素的地址），类似地，函数的名字也表示一个指向该函数的指针常量（存放该函数入口地址）：

int array[5];      // array是一个指向int的指针常量
int *p = array;    // p是一个指向int的指针变量，p = array合法
p[3];              // 等价于array[3]

void test(int a){ cout << "a=" << a << endl;}  // test是一个函数指针常量，输入参数int，返回类型void
void (*pf)(int);   // 声明函数指针pf： pf是一个输入参数int，返回void的函数的指针
pf = test;         // 将test函数地址赋值给pf（二者输入参数列表、返回类型必须一致）
pf(123);           // 等价于test(123)

有几点需要说明：

// 声明和赋值可以写在一起：
void (*pf)(int) = test;  

// 2种赋值方式：（等价）
pf = test;    // 直接函数名赋值
pf = &test;   // 函数名取地址赋值，等价于pf = test

// 2种调用方式：（等价）
pf(123);     // 直接pf接参数调用
(*pf)(123);  // 先对函数指针解引用，再接参数调用，等价于pf(123)

例1：

#include <iostream>
using namespace std;

int add(int x, int y){
	return x + y;
}

int substract(int x, int y){
	return x - y;
}

int main(){
	int (*fp)(int, int);       // 定义函数指针变量：fp
	fp = add;                  // 将同类型函数add赋值给fp
	cout << fp(1, 3) << endl; 
	cout << (*fp)(1, 3) << endl;   // 等价于fp(1,3)
	fp = &substract;           // 将同类型函数substract赋值给fp, 取地址符号"&"可加可不加
	cout << fp(1, 3) << endl; 
	cout << (*fp)(1, 3) << endl;   // 等价于fp(1,3)
	return 0;
}

输出：

4
4
-2
-2

重载的函数自动匹配类型

如果有同名的重载函数，编译器会自动选择类型匹配的一个：

#include <iostream>
using namespace std;

int add(int x, int y){  
	return x + y;
}

int add(int x, int y, int z){  // 重载
	return x + y + z;
}

int main(){	
	int (*fp)(int, int) = add;  // 编译器会自动选择add(int x, int y)与fp匹配
	cout << "1 + 2 = " << fp(1,2) << endl;

	int (*fp2)(int, int, int) = add;  // 编译器会自动选择add(int x, int y, int z)与fp2匹配
	cout << "1 + 2 + 3 = " << fp2(1,2,3) << endl;
	
	return 0;
}

输出：

1 + 2 = 3
1 + 2 + 3 = 6

类型复杂的函数指针和typedef的妙用

当一个函数的输入列表、返回列表较为复杂时，尤其是参数/返回值中还嵌套了函数指针时，代码的可读性将会大大下降。

1、输入参数包含函数指针

函数指针作为输入参数（形参）有两种写法：将输入参数int变为int (*pf)(int, int)，表示输入参数为函数指针pf(指向函数类型为int (*pf)(int, int))。

  • void test(int fun(int, int)) // 直接把fun函数的声明写在参数的位置，在test内部fun作为形参变量，表示函数指针
  • void test(int (*pf)(int, int)) // 将函数指针的声明写在参数的位置，在test内部pf作为形参变量，与上面写法等价

例2：下面例子中的add2()和add3() 就是输入参数为函数声明/函数指针的两种等价写法。

#include <iostream>
using namespace std;

int add(int x, int y){  // 双参数函数add2：两个数相加
	return x + y;
}

int add2(int (*fun)(int, int), int x, int y, int z){ // 使用函数声明语句作为形参，构造三参数函数add2()
	return fun(fun(x,y),z);
}

int add3(int fun(int, int), int x, int y, int z){    // 与上面等价, 使用函数指针作为形参，构造三参数函数add3()
	return fun(fun(x,y),z);
}

int main(){	
	int (*fp)(int, int);
	fp = add;
	cout << "1 + 2 = " << fp(1,2) << endl;

	int (*fp2)(int (*fun)(int, int), int, int, int);  // 第一个参数是双参数函数指针，第二到四个参数为int
	fp2 = add2;    // fp2赋值为类型一致的函数名
	cout << "1 + 2 + 3 = " << fp2(fp,1,2,3) << endl;

	fp2 = add3;    // 与上面等价，add3和add2实际是一样的，都能被fp2接收
	cout << "4 + 5 + 6 = " << fp2(fp,4,5,6) << endl;
	
	return 0;
}

输出结果：

1 + 2 = 3
1 + 2 + 3 = 6
4 + 5 + 6 = 15

2、返回值为函数指针

函数指针作为返回值的写法：只需要将int fun(int)变成 int (*fun(int))(double, double), 表示fun(int)返回一个函数指针pf(指向类型为int (*pf)(double, double))。

  • int (*createAdd())(int, int); // 定义一个名为createAdd()的函数,输入参数为空,返回值为一个函数指针pTemp(其类型为int (pTemp)(int, int))
  • int (*createAlgorithm(int type))(int, int); // 定义一个名为createAlgorithm(int)的函数：输入参数为int，返回值为对应运算符的函数指针pTemp(其类型为int (*pTemp)(int, int))

例3：无参数输入的函数createAdd()函数返回一个函数指针：

#include <iostream>
using namespace std;

int add(int x, int y){  
	return x + y;
}

// 定义一个名为createAdd()的函数
// 输入参数为空
// 返回值为一个函数指针pTemp(其类型为int (*pTemp)(int, int))
int (*createAdd())(int, int){  
	return add;
}

int main(){	
	int (*fp)(int, int); // 声明一个函数指针fp
	fp = createAdd();    // fp接收createAdd()返回值，二者都是同类型的函数指针，匹配
	cout << "1 + 2 = " << fp(1,2) << endl;
	return 0;
}

输出：

1 + 2 = 3

例4：带参数输入的createAlgorithm(int type)函数返回一个函数指针：

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义三种运算：空运算、加法、减法
int none(int , int ){  
	return 0;
}
int add(int x, int y){  
	return x + y;
}
int substract(int x, int y){  
	return x - y;
}

// 定义一个名为createAlgorithm(int)的函数：
// 输入参数为int，表示选择哪一种运算符（1为加法，2为减法）
// 返回值为对应运算符的函数指针pTemp(其类型为int (*pTemp)(int, int))
int (*createAlgorithm(int type))(int, int){  
	switch(type){
		case 1:
			return add;
			break;
		case 2:
			return substract;
			break;
		default:
			return none;
	}
}

int main(){	
	int (*fp)(int, int);   // 声明一个函数指针fp
	fp = createAlgorithm(1);   // fp接收createAlgorithm(1)返回值，二者都是同类型的函数指针，匹配
	cout << "1 + 2 = " << fp(1,2) << endl;
	fp = createAlgorithm(2);   // fp接收createAlgorithm(2)返回值，二者都是同类型的函数指针，匹配
	cout << "5 - 1 = " << fp(5,1) << endl;
	return 0;
}

输出：

1 + 2 = 3
5 - 1 = 4

例5：输入参数和返回参数都含有函数指针：(int (calculateAndTransfer(int (fun)(int, int), int x, int y))(int, int){...})

#include <iostream>
using namespace std;

int add(int x, int y){  
	return x + y;
}
int substract(int x, int y){  
	return x - y;
}

// 定义一个名为calculateAndTransfer(int)的函数：在内部执行一次计算，并且把输入的函数指针再返回，传递下去
// 输入参数为函数指针(其类型为int (*pTemp)(int, int))和两个int变量
// 返回值为同样的函数指针pTemp(其类型为int (*pTemp)(int, int))
int (*calculateAndTransfer(int (*fun)(int, int), int x, int y))(int, int){ 
	cout << "fun(x,y) = " << fun(x,y) << endl;
	return fun;
}

int main(){	
	int (*fp)(int, int);
	fp = calculateAndTransfer(add,1,2); 
	cout << "1 + 2 = " << fp(1,2) << endl;
	fp = calculateAndTransfer(substract,5,1);  
	cout << "5 - 1 = " << fp(5,1) << endl;
	return 0;
}

输出：

fun(x,y) = 3
1 + 2 = 3
fun(x,y) = 4
5 - 1 = 4

可见，当函数指针出现在输入参数或者返回值位置时，代码可读性将会大大下降，这不利于项目的开发和维护。

3、typedef提高代码可读性

3.1 typedef自定义类型别名

通过上面的例子发现，当函数输入参数或者返回值包含函数指针时，代码可读性将会大大降低。为了解决这个问题，C++中可以使用typedef预先给某一类型起别名，然后再用自定义的别名会写出更让人容易理解的代码。

函数/函数指针使用typedef的两种方式：

  • typedef int Fun(int, int); // 类型别名:Fun代表一类函数
  • **typedef int (PFun)(int, int); ** // 类型别名:PFun代表一类函数指针 (int (pf)(int, int))

第一种方式的Fun是自定义的函数别名，第二种方式的PFun是自定义的函数指针别名。在作为形参输入时，二种方式等价（编译器会自动把Fun转换为函数指针），但仍然推荐第二种方式，无需隐式转换，让人更容易理解。

3.2 用typedef重写：函数指针作为输入参数

例6、用typedef重写：函数指针作为输入参数：

#include <iostream>
using namespace std;

typedef int Fun(int, int);     // 类型别名:Fun代表一类函数 
typedef int (*PFun)(int, int); // 类型别名:PFun代表一类函数指针

int add(int x, int y){  // 双参数函数add2：两个数相加
	return x + y;
}

int add2(int (*fun)(int, int), int x, int y, int z){ // 利用双参数输入的fun(), 构造三参数函数add2()
	return fun(fun(x,y),z);
}

int add4(PFun fun, int x, int y, int z){    // 与add2等价, 利用typedef提高可读性，构造三参数函数add3()
	return fun(fun(x,y),z);
}

int add5(Fun fun, int x, int y, int z){    // 与add4等价, 函数名会被自动转换为函数指针作为形参 
	return fun(fun(x,y),z);
}

int main(){	
	// 函数指针直接使用：
	int (*fp)(int, int);
	fp = add;
	cout << "1 + 2 = " << fp(1,2) << endl;

	// 同上，但使用typedef提高可读性
	PFun fp2 = add;  // 与fp是同一类型
	cout << "1 + 2 = " << fp2(1,2) << endl;

	// 函数指针作为输入参数(形参)时，使用typedef的add4和add5的代码可读性比add2更高：
	cout << "1 + 2 + 3 = " << add2(fp2, 1, 2, 3) << endl;
	cout << "1 + 2 + 3 = " << add4(fp2, 1, 2, 3) << endl;
	cout << "1 + 2 + 3 = " << add5(fp2, 1, 2, 3) << endl;
	
	return 0;
}

3.3 用typedef重写：函数指针作为返回值：

以下两者为等价写法：都是定义一个名为createAlgorithm(int)的函数，输入参数为int，返回值为函数指针pTemp(其类型为int (*pTemp)(int, int))

  • int (createAlgorithm(int type))(int, int){ ...} // 不使用typedef，返回类型写法难以阅读
  • typedef int (*PFun)(int, int);
    PFun createAlgorithm(int type){ ... } // 可见，用typedef定义的类型PFun写法同一般的返回类型写法，更容易理解

例7：用typedef重写：函数指针作为返回值：

#include <iostream>
using namespace std;

// PFun是一个函数指针的类型别名，指向函数的类型为int (*pTemp)(int, int)
typedef int (*PFun)(int, int);

// 定义三种运算：空运算、加法、减法
int none(int , int ){  
	return 0;
}
int add(int x, int y){  
	return x + y;
}
int substract(int x, int y){  
	return x - y;
}

// 定义一个名为createAlgorithm(int)的函数：
// 输入参数为int，表示选择哪一种运算符（1为加法，2为减法）
// 返回值为对应运算符的函数指针pTemp(其类型为int (*pTemp)(int, int))
// 等价于：int (*createAlgorithm(int type))(int, int){  xxx }
PFun createAlgorithm(int type){ 
	switch(type){
		case 1:
			return add;
			break;
		case 2:
			return substract;
			break;
		default:
			return none;
	}
}

int main(){	
	PFun fp = createAlgorithm(1);   // fp接收createAlgorithm(1)返回值，二者都是同类型的函数指针，匹配
	cout << "1 + 2 = " << fp(1,2) << endl;
	fp = createAlgorithm(2);   // fp接收createAlgorithm(2)返回值，二者都是同类型的函数指针，匹配
	cout << "5 - 1 = " << fp(5,1) << endl;
	return 0;
}

输出：

1 + 2 = 3
5 - 1 = 4

注：类型别名除了typedef之外，还有using和decltype，都可以实现函数指针的别名定义。例如下面三条语句定义的PFun1, PFun2, PFun3等价。

例8：typedef、using和decltype三种等价写法：

#include <iostream>
using namespace std;

int add(int x, int y){  
	return x + y;
}

// 以下为类型别名的三种等价写法：
typedef int (*PFun1)(int, int);  // 类型别名:PFun1代表一类函数指针
using PFun2 = int (*)(int, int); // 类型别名:PFun2与PFun1等价
typedef decltype(add) *PFun3;    // 类型别名:PFun3与PFun1等价

int main(){	
	PFun1 fp1 = add;  
	PFun2 fp2 = add;  
	PFun3 fp3 = fp2;  
	cout << "1 + 2 = " << fp1(1,2) << endl;
	cout << "1 + 2 = " << fp2(1,2) << endl;
	cout << "1 + 2 = " << fp3(1,2) << endl;
	return 0;
}

输出：

1 + 2 = 3
1 + 2 = 3
1 + 2 = 3

3.4 用typedef重写：输入参数和返回参数都含有函数指针：以下两种写法等价：

  • int (*calculateAndTransfer(int (*fun)(int, int), int x, int y))(int, int)
  • typedef int (*PFun)(int, int);
    PFun calculateAndTransfer(PFun fun, int x, int y); // typedef大大提高可读性

例9：用typedef重写例5，让代码具有更好的可读性：

#include <iostream>
using namespace std;

typedef int (*PFun)(int, int);

int add(int x, int y){  
	return x + y;
}
int substract(int x, int y){  
	return x - y;
}

// 定义一个名为calculateAndTransfer(int)的函数：在内部执行一次计算，并且把输入的函数指针再返回，传递下去
// 输入参数为函数指针(其类型为int (*pTemp)(int, int))和两个int变量
// 返回值为同样的函数指针pTemp(其类型为int (*pTemp)(int, int))
// 下面等价于：int (*calculateAndTransfer(int (*fun)(int, int), int x, int y))(int, int){ 
PFun calculateAndTransfer(PFun fun, int x, int y){ 
	cout << "fun(x,y) = " << fun(x,y) << endl;
	return add;
}

int main(){	
	PFun fp;
	fp = calculateAndTransfer(add,1,2); 
	cout << "1 + 2 = " << fp(1,2) << endl;
	fp = calculateAndTransfer(substract,5,1);  
	cout << "5 - 1 = " << fp(5,1) << endl;
	return 0;
}

输出：

fun(x,y) = 3
1 + 2 = 3
fun(x,y) = 4
5 - 1 = 6

函数指针的数组

定义一个由函数指针组成的数组：（[]的优先级高于*，因此直接把(*fp)变为(*fp[3])即可

  • int (*fp[3])(int, int) : fp是一个数组，元素个数为3，每个元素是一个函数指针（指向int (*pf)(int, int)的类型）
  • int (*(fp[3])(int, int) : 与上面等价，fp是一个数组
  • int ((*fp)[3])(int, int) : （非法，编译会报错：```error: declaration of 'gp' as array of functions）：fp是一个指针，指向一个数组，这个数组的元素个数必须为3，每个元素是一个函数，注意，是函数而不是函数指针，*符号给到fp头上了，因此，编译器会认为你要创建函数的数组，这是不允许的，只允许创建函数指针的数组。

例10：函数指针数组：

#include <iostream>
using namespace std;

typedef int (*PFun)(int, int); 

int add(int x, int y){
	return x + y;
}

int substract(int x, int y){
	return x - y;
}

int main(){	
	// fp是一个数组，元素个数为2，每个元素是一个函数指针（指向int (*pf)(int, int)的类型）
	int (*fp[2])(int, int);
	fp[0] = add;
	fp[1] = substract;
	cout << fp[0](5,3) << endl;
	cout << fp[1](5,3) << endl;
	
	// 下面会报错，从字面上理解：gp是一个指针，指向函数的数组，而函数的数组是非法的，函数指针的数组是允许的
	// int ((*gp)[2])(int, int);  \\ error: declaration of 'gp' as array of functions
	
	return 0;
}

输出：

8
2

类的成员函数（方法）的指针

与普通函数指针类似，类的静态/非静态成员函数（方法）指针也有声明、赋值、调用三个步骤：

普通函数 类的非静态成员函数
(类名为A，实例对象为a，对象指针为pa)		 类的静态成员函数(类名为A)
函数声明 int fun(double x, double y); int A::fun(double x, double y); int A::static_fun(double, double);
函数指针的声明 int (*fp)(double, double); int (A::*fp2)(double x, double y); int (*fp3)(double, double);
函数指针的赋值 fp = fun; 或 fp = &fun; fp2 = A::fun;或 fp2 = &A::fun; fp3 = A::static_fun;
函数指针的调用 fp(x, y); 或 (*fp)(x, y); (a.*fp2)(x,y);
(pa->*fp2)(x,y);		 fp3(x, y); 或 (*fp3)(x, y);

几个注意点：

  • 新引入三个运算符：声明::*, 调用.*和->*。
  • 声明时，只有类的非静态成员函数指针前才加类名。
  • 赋值时，函数指针前都不加类名，只有类的非静态成员函数指针的等号右侧的才加类名。
  • 调用时，只有类的非成员函数指针前要加对象名，因为必须通过this指针来决定调用的是哪个实例对象的函数。其中(a.*fp2)(x,y)和(pa->*fp2)(x,y)的小括号不能省略，因为.*和->*的优先级低于()。

总之，类的静态成员函数与普通函数非常类似，只有在赋值的时候需要等号右侧是类名::静态函数的形式，其他的语法完全一致。而类的非静态成员函数在声明时前面要加类名，赋值时等号右侧要加类名，调用时前面要加具体的对象名。

例11：比较普通函数、类的非静态成员函数、类的静态成员函数的声明、赋值和调用：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Mobile{
public:
	Mobile(string number):_number(number){}
	void from(string another_number){
		cout << _number << " is receiving a call from " << another_number << endl;
	}
	void to(string another_number){
		cout << _number << " is calling to " << another_number << endl;
	}
	static void printInfo(){
		cout << "Static function: Mobile works good!" << endl;
	}
private:
	string _number;
};

void fun(string number){
	cout << "Normal function: number " << number << endl;
}

int main(){	
	// 普通函数的指针: 
	void (*fp1)(string);  // 声明
	fp1 = fun;            // 赋值
	fp1("999");           // 调用
	(*fp1)("999");        // 调用的第二种等价方式
	
	// 类的非静态成员函数（方法）的指针：
	Mobile m("666888"), *mp = &m;  
	void (Mobile::*fp2)(string);   // 声明，使用 ::*  (小括号不能少：写成Mobile::*fp2(string)会报错)
	fp2 = Mobile::from;            // 赋值，也可以写成fp2 = &Mobile::from; 因为::优先级高于&
	(m.*fp2)("12345");             // 调用，不能写成 m.*fp2("12345") 因为.*的优先级低于()
	// (*(m.*fp2))("12345");       // 错误，调用没有像普通函数一样的第二种等价方式（前面加*）
	(mp->*fp2)("12345");           // 调用，不能写成 m->*fp2("12345") 因为->*的优先级低于()
	fp2 = Mobile::to;              // 赋值 
	(m.*fp2)("54321");             // 调用
	(mp->*fp2)("54321");           // 调用
	
	// 类的静态成员函数（方法）的指针：
	void (*fp3)(); 				// 声明: 同普通函数
	fp3 = Mobile::printInfo;    // 赋值：等号右侧用类名::静态函数，也可以写成fp3 = &Mobile::printInfo; 
	fp3();                      // 调用：同普通函数
	(*fp3)();                   // 调用的第二种等价方式：同普通函数
	
	return 0;
}

输出：

Normal function: number 999
Normal function: number 999
666888 is receiving a call from 12345
666888 is receiving a call from 12345
666888 is calling to 54321
666888 is calling to 54321
Static function: Mobile works good!
Static function: Mobile works good!

参考资料