Chapter 7：Functions: C++'s Programming Modules

为什么函数是契约而不只是代码片段

函数把一项工作命名并形成调用边界。编译器能通过函数原型检查参数和返回类型，却不知道 count 是否匹配数组、指针是否可空、分数是否在 0–100、失败怎样报告。这些语义需要前置条件、后置条件和测试补齐。

函数原型让调用点可被独立检查

函数原型声明名字、返回类型和参数类型。调用出现时，编译器据此检查实参数量与可转换性；定义可以位于另一个源文件，最终由链接器解析。

double average(const double values[], int count);  // prototype
 
int main() {
    double samples[3]{2.0, 4.0, 9.0};
    std::cout << average(samples, 3) << '\n';
}

参数名在原型中可省略，但写出有意义的名字能帮助读者理解单位和方向。声明与定义必须表示同一函数；返回类型差异或命名空间不一致可能让调用编译、链接却找不到匹配定义。

按值传递建立独立形参对象

普通参数按值传递：调用表达式先求实参值，再用它初始化函数调用帧中的形参。修改形参不改变调用者对象，除非值本身是指针且函数通过该地址修改 pointee。

int increment(int value) {
    return value + 1;
}
 
int original{4};
int next{increment(original)};  // original == 4, next == 5

大 struct 按值会复制成员，但有独立性；只读大对象可在 Chapter 8 使用 const 引用。不要仅因“复制慢”把所有参数改指针，指针还引入可空、别名和生命周期契约。

数组参数会调整为指针并丢失长度

在函数参数中，double values[] 与 double* values 表示同一种参数形状。sizeof(values) 得到指针大小，不是调用数组总字节；函数必须另收 count，或使用携带长度的容器/视图。

double average(const double values[], int count) {
    if (count <= 0) {
        throw std::invalid_argument{"count must be positive"};
    }
    double total{0.0};
    for (int i{0}; i < count; ++i) {
        total += values[i];
    }
    return total / count;
}

前置条件包括 values 指向至少 count 个存活 double、count 为正、每次访问在 [0,count)。const 防止通过该参数修改元素，但不证明非空和长度。

二维数组参数必须保留内层尺度

int grid[][3] 调整为“指向含 3 个 int 的数组”的指针，列数 3 是指针步长的一部分，外层行数仍需另传。row/col 两层范围分别验证。

int sum_grid(const int grid[][3], int rows) {
    int total{0};
    for (int row{0}; row < rows; ++row) {
        for (int col{0}; col < 3; ++col) {
            total += grid[row][col];
        }
    }
    return total;
}

若行列都运行时变化，内置二维数组参数不再合适；可以使用平坦 vector 加显式 strides，或封装矩阵类型让维度与数据共同移动。

C 字符串、struct 与标准对象保留不同信息

C 字符串参数通常是 const char*，长度靠 \0 扫描，无法知道缓冲容量。struct 按值传递会复制全部成员；指向 struct 的指针只传地址。std::string 按值携带自己的长度和所有权，std::array 引用还能在类型中保留固定尺度。

设计接口时问：函数真正需要一个值、一个只读记录、一个可写对象、一个地址范围，还是一个文本视图？把所有情况都写成裸指针会抹平差异并增加前置条件。

递归把问题缩小到基例

递归函数直接或间接调用自身。正确递归需要可立即回答的基例，以及每次调用严格接近基例的推进量；否则调用帧持续增长直到栈资源耗尽。

unsigned long long factorial(unsigned n) {
    if (n <= 1) return 1;           // base case
    return n * factorial(n - 1);    // progress
}

数学递归正确不等于机器表示安全：factorial 很快溢出，n 来源也要限制。先预测调用树和最大深度，再测试 0、1、2、上界与上界外输入。

函数指针把操作选择变成参数

函数也有地址。函数指针类型包含返回类型和参数列表，调用者可把满足签名的目标传给高阶函数，实现排序比较、数值变换或回调。

int square(int value) { return value * value; }
int negate(int value) { return -value; }
 
int apply(int value, int (*operation)(int)) {
    return operation(value);
}
 
int result = apply(5, &square);

签名一致只证明类型形状，不证明目标语义、异常、副作用或线程要求。间接调用需要四套证据：签名匹配、目标非空、目标代码仍可执行，以及调用效果符合约定。

先预测调用前后对象值、参数帧、范围和返回结果，再执行。对递归画出每一帧 n，对函数指针记录实际目标；“进入了同一个函数”不能说明复制、间接调用和范围契约相同。

三步验收一个函数模块

小结

• 函数原型提供编译期调用检查，完整契约还需范围、副作用、所有权和失败语义
• 按值传递建立独立参数，函数内修改不直接写回调用者
• 数组参数调整为首元素 pointer 并丢失长度，二维数组只在类型中保留内层维度
• C 字符串、string、array 和 struct 参数携带不同形状，参数形式应反映容量与写权限
• 递归靠基例和推进终止，函数 pointer 靠完整签名与目标生命周期安全间接调用

名词解释