Chap 10 函数与程序结构 10.1 圆形体积计算器 10.2 汉诺塔问题 10.3 长度单位转换 10.4 大程序构成

本章要点 怎样把多个函数组织起来？ 怎样用结构化程序设计的思想解决问题？ 怎样用函数嵌套求解复杂的问题？ 怎样用函数递归解决问题？ 如何使用宏？(自学) 如何使用多文件模块构建较大规模程序(自学)

10.1 圆形体积计算器 使用结构化程序设计方法解决复杂的问题 把大问题分解成若干小问题，小问题再进一步分解成若干更小的问题 写程序时，用main()解决整个问题，它调用解决小问题的函数 这些函数又进一步调用解决更小问题的函数，从而形成函数的嵌套调用

程序结构 main( ) 函数1 函数2 …… 函数m 函数1_1 函数1_2 函数m_1 函数m_n

10.1.1 程序解析-计算常用圆形体体积 例10-1 设计一个常用圆形体体积计算器，采用命令方式输入1、2、3，分别选择计算球体、圆柱体、圆锥体的体积，并输入计算所需相应参数。 分析： 输入1、2、3选择计算3种体积，其他输入结束计算 设计一个控制函数cal()，经它辨别圆形体的类型再调用计算球体、圆柱体、圆锥体体积的函数 设计单独的函数计算不同圆形体的体积

程序结构 3层结构，5个函数 降低程序的构思、编写、调试的复杂度 可读性好 main( ) cal ( ) vol_ball ( ) vol_cylind ( ) vol_cone ( ) 3层结构，5个函数 降低程序的构思、编写、调试的复杂度 可读性好

例10-1源程序 #define PI 3.141592654 void cal ( int sel ); int main(void) while( 1 ){ printf(" 1-计算球体体积\n"); printf(" 2-计算圆柱体积\n"); printf(" 3-计算圆锥体积\n"); printf(" 其他-退出程序运行\n"); printf(“ 请输入计算命令：" ); scanf("%d",&sel); if (sel < 1 || sel > 3) break; /* 输入非1~3，循环结束 */ else cal (sel ); /* 输入1~3，调用cal() */ } return 0; 例10-1源程序

{ double vol_ball(void ); double vol_cylind(void ); /* 常用圆形体体积计算器的主控函数 */ void cal ( int sel ) { double vol_ball(void ); double vol_cylind(void ); double vol_cone(void ); switch (sel) { case 1: printf("球体积为：%.2f\n", vol_ball( )); break; case 2: printf("圆柱体积为：%.2f\n", vol_cylind( ) ); case 3: printf("圆锥体积为：%.2f\n", vol_cone( ) ); } /* 计算圆锥体积 V=h/3*PI*r*r */ double vol_cone( ) { double r , h ; printf("请输入圆锥的底圆半径和高："); scanf("%lf%lf",&r,&h); return(PI*r*r*h/3.0); } /* 计算球体体积 V=4/3*PI*r*r*r */ double vol_ball( ) { double r ; printf("请输入球的半径："); scanf("%lf",&r); return(4.0/3.0*PI*r*r*r); } /* 计算圆柱体积 V=PI*r*r*h */ double vol_cylind( ) { double r , h ; printf("请输入圆柱的底圆半径和高："); scanf("%lf%lf",&r,&h); return(PI*r*r*h); }

10.1.2 函数的嵌套调用 顺序调用 int main(void) { …… y = fact(3); …… { …… y = fact(3); …… z = mypow(3.5, 2); …… } double fact(int n) { double mypow(double x, in n) main fact mypow main fact mypow

10.1.2 函数的嵌套调用 嵌套调用 int main(void) { …… cal (sel); …… } { …… cal (sel); …… } void cal (int sel) { …… vol_ball() double vol_ball( ) { main cal vol_ball main cal vol_ball

例10-1 分析 int main(void) { …… cal (sel); } void cal (int sel) { …… { …… cal (sel); } void cal (int sel) { …… vol_ball(); vol_cylind(); vol_cone(); double vol_ball( ) { …… double vol_cylind( ) double vol_cone( ) 例10-1 分析 main( ) cal ( ) vol_ball ( ) vol_cylind ( ) vol_cone ( )

10.1.2 函数的嵌套调用 在一个函数中再调用其它函数的情况称为函数的嵌套调用。 如果函数A调用函数B，函数B再调用函数C，一个调用一个地嵌套下去，构成了函数的嵌套调用。 具有嵌套调用函数的程序，需要分别定义多个不同的函数体，每个函数体完成不同的功能，它们合起来解决复杂的问题。

结构化程序设计方法 自顶向下，逐步求精，函数实现 自顶向下：程序设计时，应先考虑总体步骤，后考虑步骤的细节；先考虑全局目标，后考虑局部目标。先从最上层总目标开始设计，逐步使问题具体化。不要一开始就追求众多的细节。 逐步求精：对于复杂的问题，其中大的操作步骤应该再将其分解为一些子步骤的序列，逐步明晰实现过程。 函数实现：通过逐步求精，把程序要解决的全局目标分解为局部目标，再进一步分解为具体的小目标，把最终的小目标用函数来实现。问题的逐步分解关系，构成了函数间的调用关系。

函数设计时应注意的问题 限制函数的长度。一个函数语句数不宜过多，既便于阅读、理解，也方便程序调试。若函数太长，可以考虑把函数进一步分解实现。 避免函数功能间的重复。对于在多处使用的同一个计算或操作过程，应当将其封装成一个独立的函数，以达到一处定义、多处使用的目的，以避免功能模块间的重复。 减少全局变量的使用。应采用定义局部变量作为函数的临时工作单元，使用参数和返回值作为函数与外部进行数据交换的方式。只有当确实需要多个函数共享的数据时，才定义其为全局变量。

10.2 汉诺塔问题 10.2.1 程序解析 10.2.2 递归函数基本概念 10.2.3 递归程序设计

10.2.1 汉诺(Hanoi)塔问题解析 将64 个盘从座A搬到座B A B C (1) 一次只能搬一个盘子 (3) 大盘不能压在小盘上

分析 A B C

分析 n A B C n-1 n-1 A B C

分析 n A B C A B C

10.2.1 汉诺(Hanoi)塔问题解析 递归方法的两个要点 把汉诺塔的递归解法归纳成三个步骤： （1）递归出口：一个盘子的解决方法； （2）递归式子：如何把搬动64个盘子的问题简化成搬动63个盘子的问题。 把汉诺塔的递归解法归纳成三个步骤： n-1个盘子从座A搬到座C 第n号盘子从座A搬到座B n-1个盘子从座C搬到座B

算法： n-1 A B C hanio(n个盘，A→B， C为过渡) { if (n == 1) 直接把盘子A→B else{ hanio(n-1个盘，A→C， B为过渡) 把第n号盘 A→B hanio(n-1个盘，C→B， A为过渡) }

10.2.2递归函数基本概念 例10-2 用递归函数实现求n！ 递推法 递归法 在学习循环时，计算n！采用的就是递推法： 用循环语句实现： result = 1; for(i = 1; i <= n; i++) result = result * i; 递归法 n！= n ×(n-1)! 当n＞1 递归式子 = 1 当n=1或n=0 递归出口 即求n！可以在(n-1)！的基础上再乘上n。如果把求n！写成函数fact(n)，则fact (n)的实现依赖于fact(n-1)。

10.2.2递归函数基本概念 例10-2 用递归函数求n!。 #include <stdio.h> double fact(int n)； int main(void) { int n; scanf ("%d", &n); printf ("%f", fact (n) ); return 0; } double fact(int n) /* 函数定义 */ { double result; if (n==1 || n == 0) /* 递归出口 */ result = 1; else result = n * fact(n-1); return result; 10.2.2递归函数基本概念

10.2.2 递归函数基本概念

例10-2分析 递归出口 递归式 #include <stdio.h> double fact(int n)； int main(void) { int n; scanf ("%d", &n); printf ("%f", fact (n) ); return 0; } double fact(int n) { double result; if (n==1 || n == 0) result = 1; else result = n * fact(n-1); return result; 求n! 递归定义 n! = n * (n-1)! (n > 1) n! = 1 (n = 0,1) 递归出口 fact(n)=n*fact(n-1); 递归式

递归函数 fact( n )的实现过程 fact(3)= 3*fact(2)＝ 3*2=6 2*fact(1)＝ fact(1)＝1 同时有4个函数在运行，且都未完成 fact(3)= 3*fact(2)＝ 2*fact(1)＝ fact(1)＝1 3*2=6 2*1=2 main() fact(3) fact(2) fact(1) { .... { .... { .... { .... printf(fact(3)) f=3*fact(2) f=2*fact(1) f=1 } return(f) return(f) return(f) } } }

10.2.3 递归程序设计 两个条件缺一不可 解决递归问题的两个着眼点 用递归实现的问题，满足两个条件： 10.2.3 递归程序设计 用递归实现的问题，满足两个条件： 问题可以逐步简化成自身较简单的形式（递归式） n! = n * (n-1)! n n-1 Σi = n +Σ i i=1 i=1 递归最终能结束(递归出口) 两个条件缺一不可 解决递归问题的两个着眼点

10.2.3 递归程序设计 例10-3 编写递归函数reverse(int n)实现将整数n逆序输出。 分析： 10.2.3 递归程序设计 例10-3 编写递归函数reverse(int n)实现将整数n逆序输出。 分析： 将整数n逆序输出可以用循环实现，且循环次数与n的位数有关。递归实现整数逆序输出也需要用位数作为控制点。归纳递归实现的两个关键点如下： 递归出口：直接输出n，如果n<=9，即n为1位数 递归式子：输出个位数n%10，再递归调用reverse(n/10) 输出前n-1位，如果n为多位数

10.2.3 递归程序设计 由于结果是在屏幕上输出，因此函数返回类型为void void reverse(int num) { 10.2.3 递归程序设计 由于结果是在屏幕上输出，因此函数返回类型为void void reverse(int num) { if(num<=9) printf("%d",num); /* 递归出口 */ else{ printf("%d",num%10); reverse(num/10); /* 递归调用 */ }

例10-4 汉诺(Hanoi)塔问题 A B C hanio(n个盘，A→B，C为过渡) { if (n == 1) 直接把盘子A→B else{ hanio(n-1个盘，A→C，B为过渡) 把n号盘 A→B hanio(n-1个盘，C→B，A为过渡) }

源程序 /* 搬动n个盘，从a到b，c为中间过渡 */ void hanio(int n, char a, char b, char c) { if (n == 1) printf("%c-->%c\n", a, b); else{ hanio(n-1, a, c, b); hanio(n-1, c, b, a); } int main(void) { int n; printf("input the number of disk: " ); scanf("%d", &n); printf("the steps for %d disk are:\n",n); hanio(n, 'a', ‘b', ‘c') ; return 0; input the number of disk: 3 the steps for 3 disk are: a-->b a-->c b-->c c-->a c-->b

input the number of disk: 3 the steps for 3 disk are: a-->b a-->c b-->c c-->a c-->b A B C

课堂练习：利用递归函数计算x的n次幂 int mi(int x, int n) { if (n==1) return x; else return x*mi(x,n-1); }

10.3 长度单位转换 10.3.1 程序解析 10.3.2 宏基本定义 10.3.3 带参数的宏定义 10.3.4 文件包含 10.3.1 程序解析 10.3.2 宏基本定义 10.3.3 带参数的宏定义 10.3.4 文件包含 10.3.5 编译预处理

Input mile,foot and inch:1.2 3 5.1 1.200000 miles=1930.800077 meters 3.000000 feet=91.440000 centimeters 5.100000 inches=12.954000 centimeters 10.3.1 程序解析 例10-5 欧美国家长度使用英制单位，1英里=1609米，1英尺=30.48厘米，1英寸=2.54厘米。请编写程序转换。 #include<stdio.h> #define Mile_to_meter 1609 /* 1英里=1609米 */ #define Foot_to_centimeter 30.48 /* 1英尺=30.48厘米 */ #define Inch_to_centimeter 2.54 /* 1英寸=2.54厘米 */ int main(void) { float foot, inch, mile; /* 定义英里，英尺，英寸变量 */ printf("Input mile,foot and inch:"); scanf("%f%f%f", &mile, &foot, &inch); printf("%f miles=%f meters\n", mile, mile * Mile_to_meter); /* 计算英里的米数 */ printf("%f feet=%f centimeters\n", foot, foot * Foot_to_centimeter); /* 计算英尺的厘米数 */ printf("%f inches=%f centimeters\n", inch, inch * Inch_to_centimeter); /* 计算英寸的厘米数 */ return 0; }

10.3.2 宏基本定义 #define 宏名标识符 宏定义字符串 说明: 多用于符号常量 编译时，把程序中所有与宏名相同的字符串，用宏定义字符串替代 #define PI 3.14 #define arr_size 4 说明: 宏名一般用大写字母，以与变量名区别 宏定义不是Ｃ语句，后面不得跟分号 宏定义可以嵌套使用 #define S 2*PI*PI 多用于符号常量

10.3.2 宏基本定义 宏定义可以写在程序中任何位置，它的作用范围从定义书写处到文件尾。 可以通过“#undef”强制指定宏的结束范围。

宏的作用范围 #define A “This is the first macro” void f1() { printf( “A\n” ); } #define B “This is the second macro” A 的有效范围 void f2( ) printf( B ) ; B 的有效范围 #undef B int main(void) f1( ); f2( ); return 0;

10.3.3 带参数的宏定义 例10-6 简单的带参数的宏定义。 #include <stdio.h> 10.3.3 带参数的宏定义 例10-6 简单的带参数的宏定义。 #include <stdio.h> #define MAX(a, b) a > b ? a: b #define SQR(x) x * x int main(void) { int x , y; scanf (“%d%d” , &x, &y) ; x = MAX (x, y); /* 引用宏定义 */ y = SQR(x); /* 引用宏定义 */ printf(“%d %d\n” , x, y) ; return 0; }

10.3.3 带参数的宏定义 各位数字的立方和等于它本身的数。例如153的各位数字的立方和是13+53+33=153 10.3.3 带参数的宏定义 #define f(a) (a)*(a)*(a) 例： #define f(a) a*a*a int main(void) /* 水仙花数 */ { int i,x,y,z; for (i=1; i<1000; i++) { x=i%10; y=i/10%10; z=i/100 ; if (x*x*x+y*y*y+z*z*z==i) printf(“%d\n” ,i); } return 0; (f(x)+f(y)+f(z)==i) f(x+y) = (x+y)3 ? = x+y*x+y*x+y

示例 用宏实现两个变量值的交换 #define f(a,b,t) t=a; a=b; b=t; int main( ) { int x,y,t ; scanf(“%d%d” ,&x, &y); f(x,y,t) printf(“%d %d\n”, x, y) ; return 0; } 编译时被替换 t=x ; x=y ; y=t ; 与函数的区别在哪里? 带参数的宏定义不是函数，宏与函数是两种不同的概念 宏可以实现简单的函数功能

宏定义应用示例 定义宏LOWCASE，判断字符c是否为小写字母。 定义宏CTOD将数字字符（‘0’～‘9’）转换为相应的 #define LOWCASE(c) (((c) >= 'a') && ((c) <= 'z') ) 定义宏CTOD将数字字符（‘0’～‘9’）转换为相应的 十进制整数，-1表示出错。 #define CTOD(c) (((c) >= '0') && ((c) <= '9') ? c - '0' : -1)

练习——带宏定义的程序输出 #define F(x) x - 2 #define D(x) x*F(x) int main() { printf("%d,%d", D(3), D(D(3))) ; return 0; }

结果分析 阅读带宏定义的程序，先全部替换好，最后再统一计算 不可一边替换一边计算，更不可以人为添加括号 D(3) = x*F(x) 先用x替换展开 = x*x-2 进一步对F(x)展开，这里不能加括号 = 3*3-2 = 7 最后把x=3代进去计算 D(D(3)) = D(x*x-2) 先对D(3)用x替换展开， = x*x-2* F(x*x-2) 拿展开后的参数对D进一步进行宏替换 = x*x-2* x*x-2-2 拿展开后的参数对F进一步进行宏替换 = 3*3-2*3*3-2-2 = -13 最后把x=3代进去计算 运行结果：7 -13

10.3.4 文件包含 系统文件以stdio.h、math.h等形式供编程者调用 实用系统往往有自己诸多的宏定义，也以.h的形式组织、调用 文件包含 include

文件包含 格式 作用 注意 # include <需包含的文件名> # include “需包含的文件名” 编译预处理命令，以#开头。 在程序编译时起作用，不是真正的C语句，行尾没有分号。 系统文件夹 当前文件夹+系统文件夹

例10-7 将例10-5中长度转换的宏，定义成头文件length.h，并写出主函数文件。 #define Mile_to_meter 1609 /* 1英里=1609米 */ #define Foot_to_centimeter 30.48 /* 1英尺=30.48厘米 */ #define Inch_to_centimeter 2.54 /* 1英寸=2.54厘米 */ 主函数文件prog.c源程序 #include<stdio.h> #include “length.h” /* 包含自定义头文件 */ int main(void) { float foot, inch, mile; /* 定义英里，英尺，英寸变量 */ printf("Input mile,foot and inch:"); scanf("%f%f%f", &mile, &foot, &inch); printf("%f miles=%f meters\n", mile, mile * Mile_to_meter); printf("%f feet=%f centimeters\n", foot, foot * Foot_to_centimeter); printf("%f inches=%f centimeters\n", inch, inch * Inch_to_centimeter); return 0; }

将例10-1的5个函数分别存储在2个.C文件上，要求通过文件包含把它们联结起来。 头文件length.h #define Mile_to_meter 1609 #define Foot_to_centimeter 30.48 #define Inch_to_centimeter 2.54 编译连接后生成的程序   … stdio.h的内容 #define Mile_to_meter 1609 #define Foot_to_centimeter 30.48 #define Inch_to_ centimeter 2.54 int main(void) { float mile,foot,inch; …… return 0; } 主函数文件prog.c #include<stdio.h> #include “length.h” int main(void) { float mile,foot,inch; …… return 0; }

常用标准头文件 ctype.h 字符处理 math.h 与数学处理函数有关的说明与定义 stdio.h 输入输出函数中使用的有关说明和定义 string.h 字符串函数的有关说明和定义 stddef.h 定义某些常用内容 stdlib.h 杂项说明 time.h 支持系统时间函数

10.3.5 编译预处理 编译预处理是Ｃ语言编译程序的组成部分，它用于解释处理Ｃ语言源程序中的各种预处理指令。 10.3.5 编译预处理 编译预处理是Ｃ语言编译程序的组成部分，它用于解释处理Ｃ语言源程序中的各种预处理指令。 文件包含(#include)和宏定义(#define)都是编译预处理指令 在形式上都以“#”开头，不属于C语言中真正的语句 增强了C语言的编程功能，改进Ｃ语言程序设计环境，提高编程效率

编译预处理 C程序的编译处理，目的是把每一条C语句用若干条机器指令来实现，生成目标程序。 由于#define等编译预处理指令不是C语句，不能被编译程序翻译，需要在真正编译之前作一个预处理，解释完成编译预处理指令，从而把预处理指令转换成相应的C程序段，最终成为由纯粹C语句构成的程序，经编译最后得到目标代码。

编译预处理功能 编译预处理的主要功能： 文件包含（#include） 宏定义（#define） 条件编译

编译预处理功能 条件编译 #define FLAG 1 #if FLAG 程序段1 #else 程序段2 #endif

10.4 大程序构成 ——多文件模块的学生信息库系统 10.4 大程序构成 ——多文件模块的学生信息库系统 10.4.1 分模块设计学生信息库系统 10.4.2 C程序文件模块 10.4.3 文件模块间的通信

10.4.1 分模块设计学生信息库系统 例10-8 请综合例9-1、例9-2、例9-3和例9-4，分模块设计一个学生信息库系统。该系统包含学生基本信息的建立和输出、计算学生平均成绩、按照学生的平均成绩排序以及查询、修改学生的成绩等功能。 函数建立为：

10.4.1 分模块设计学生信息库系统 由于整个程序规模较大，按照功能图，分成三个程序文件模块，并把结构体定义等写成一个头文件。 10.4.1 分模块设计学生信息库系统 由于整个程序规模较大，按照功能图，分成三个程序文件模块，并把结构体定义等写成一个头文件。 头文件student.h 输入输出程序文件input_output.c void new_student (struct student students[ ]) void output_student(struct student students[ ]) 计算平均成绩与平均成绩排序程序文件aver_sort.c void average(struct student students[ ]) void sort(struct student students[ ]) 查询修改程序文件modify.c void modify(struct student students[ ]) void search_student(struct student students[ ], int num)

10.4.1 分模块设计学生信息库系统 一共定义了三个.c程序文件和一个.h头文件，它们各自独立，再通过主函数main()调用。主函数放在student_system.c文件中，各文件存放在同一个文件夹下，相互间的连接采用文件包含的形式。 主函数程序文件student_system.c #include “student.h” #include “input _output.c” #include “aver_sort.c” #include “modify.c” int Count = 0; /* 全局变量，记录当前学生总数 */ int main(void) { ......... } /* 主函数调用各函数 */

10.4.2 C程序文件模块 我们把保存有一部分程序的文件称为程序文件模块 结构化程序设计是编写出具有良好结构程序的有效方法 一个大程序最好由一组小函数构成 如果程序规模很大，需要几个人合作完成的话，每个人所编写的程序会保存在自己的.c文件中 为了避免一个文件过长，也会把程序分别保存为几个文件。 一个大程序会由几个文件组成，每一个文件又可能包含若干个函数。

10.4.2 C程序文件模块 一个大程序可由几个程序文件模块组成，每一个程序文件模块又可能包含若干个函数。程序文件模块只是函数书写的载体。 当大程序分成若干文件模块后，可以对各文件模块分别编译，然后通过连接，把编译好的文件模块再合起来，连接生成可执行程序。 问题：如何把若干程序文件模块连接成一个完整的可执行程序？ 文件包含 工程文件（由具体语言系统提供）

10.4.2 C程序文件模块 程序－文件－函数关系 小程序：主函数+若干函数  一个文件 大程序：若干程序文件模块（多个文件）  每个程序文件模块可包含若干个函数  各程序文件模块分别编译，再连接 整个程序只允许有一个main()函数

10.4.3 文件模块间的通信 文件模块与变量 外部变量 静态全局变量 文件模块与函数 外部函数 静态的函数

10.4.3 文件模块间的通信 外部变量 全局变量只能在某个模块中定义一次，如果其他模块要使用该全局变量，需要通过外部变量的声明 10.4.3 文件模块间的通信 外部变量 全局变量只能在某个模块中定义一次，如果其他模块要使用该全局变量，需要通过外部变量的声明 外部变量声明格式为： extern 变量名表; 如果在每一个文件模块中都定义一次全局变量，模块单独编译时不会发生错误，一旦把各模块连接在一起时，就会产生对同一个全局变量名多次定义的错误 反之，不经声明而直接使用全局变量，程序编译时会出现“变量未定义”的错误。

10.4.3 文件模块间的通信 静态全局变量 当一个大的程序由多人合作完成时，每个程序员可能都会定义一些自己使用的全局变量 10.4.3 文件模块间的通信 静态全局变量 当一个大的程序由多人合作完成时，每个程序员可能都会定义一些自己使用的全局变量 为避免自己定义的全局变量影响其他人编写的模块，即所谓的全局变量副作用，静态全局变量可以把变量的作用范围仅局限于当前的文件模块中 即使其他文件模块使用外部变量声明，也不能使用该变量。

10.4.3 文件模块间的通信 文件模块与函数 外部函数 静态的函数 10.4.3 文件模块间的通信 文件模块与函数 外部函数 如果要实现在一个模块中调用另一模块中的函数时，就需要对函数进行外部声明。声明格式为： extern 函数类型 函数名(参数表说明)； 静态的函数 把函数的使用范围限制在文件模块内，不使某程序员编写的自用函数影响其他程序员的程序，即使其他文件模块有同名的函数定义，相互间也没有任何关联， 增加模块的独立性。

本章小结 多函数程序的组织结构 递归函数 编译预处理 构成要素：递归式子（重点）与递归出口 运用递归函数解决特殊问题（如汉诺塔） 文件包含 函数调用的层次结构 多文件模块实现：文件包含 合理运用变量在多文件模块、多函数间的关联 程序文件模块：变量与文件模块、 函数与文件模块的关系 递归函数 构成要素：递归式子（重点）与递归出口 运用递归函数解决特殊问题（如汉诺塔） 编译预处理 文件包含 宏实质：编译预处理的替代 带参的宏——不是函数