第6章 函數與巨集 6-1 由上而下的設計方法 6-2 建立函數 6-3 函數的參數呼叫方式 6-4 變數的有效範圍 6-5 遞迴函數

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1 第6章 函數與巨集 6-1 由上而下的設計方法 6-2 建立函數 6-3 函數的參數呼叫方式 6-4 變數的有效範圍 6-5 遞迴函數
6-6 C語言的巨集 6-7 C語言的標準函式庫

2 6-1 由上而下的設計方法-基礎1 模組化主要是針對解決問題的方法，把一件大型的工作切割成無數的小工作，切割的工作屬於一種結構化分析的範疇，我們最常使用的是「由上而下的設計方法」（Top-down Design），其主要是使用程序為單位來切割工作，也就是所謂的「程序式程式設計」（Procedural Design）。

3 6-1 由上而下的設計方法-基礎2 由上而下的設計方法是在面對問題時，先考慮將整個解決問題的方法分解成數個大「模組」（Modules），然後針對每一個大模組，一一分割成數個小模組，如此一直細分，最後等這些細分小問題的小模組完成後，再將它們組合起來，如此一層層的向上爬，完成整個軟體系統或應用程式的設計。

4 6-1 由上而下的設計方法-注意事項 獨立性：每一個分割模組間的關聯性愈少，處理起來就會愈快。所謂獨立性，是指當處理某一個子問題時，無需考慮到其它子問題。換一句話說，獨立性是要將每一個問題都定義成一件簡單且明確的問題。 結合問題：小心的控制子問題間的結合方法，而且要注意結合這些子問題的邏輯順序，避免語焉不詳的結果。 子問題間的溝通：雖然獨立性可以減少各問題間的關聯性，但是並無法避免掉全部的溝通。

5 6-1 由上而下的設計方法-實例 例如：目前有一個工作是繪出房屋的圖形， 如下圖所示：

6 6-1 由上而下的設計方法-第一步 從房屋繪圖工作可以粗分為三個小工作，如下所示： 繪出屋頂和外框。 繪出窗戶。 繪出門。

7 6-1 由上而下的設計方法-第二步 接著將第一個小工作【繪出屋頂和外框】（Draw Outline）再次進行分割成二個小工作，如下所示：
繪出屋頂。 繪出房屋的外框。

8 6-1 由上而下的設計方法-繼續步驟 只需重複上述分析，持續一步一步的向下分割工作，例如：因為窗戶共有2個，所以【繪出窗戶】可以分為【繪出窗戶1】和【繪出窗戶2】，而【繪出門】可以分為【繪出門框】和【繪出門把】。 最後，在將問題分割成一個個小問題後，每一個小問題就是一個C語言的函數，只需完成這些函數即可解決整個繪出房屋的問題。

9 6-2 建立函數 6-2-1 函數是一個黑盒子 6-2-2 建立C語言的函數 6-2-3 函數的原型宣告 6-2-4 函數的參數
6-2-5 函數的傳回值

10 6-2 建立函數 C語言的模組單位是「函數」（Functions），函數是一個獨立的程式單元，使用函數可以將大工作分割成一個個小型的工作，也可以重複使用以前已經建立的函數或直接呼叫C語言標準函式庫的函數。

11 6-2-1 函數是一個黑盒子-說明 在C語言的程式敘述執行函數稱為「函數呼叫」（Functions Call），事實上，程式設計者並不需要了解函數內部實際的程式碼，也不想知道其細節，函數如同一個「黑盒子」（Black Box），只要告訴程式設計者如何使用這個黑盒子的「使用介面」（Interface）即可。

12 6-2-1 函數是一個黑盒子-圖例 圖例可以看出呼叫函數只需知道需要傳入的參數， 然後從函數取得什麼傳回值，這就是函數和外部 溝通的使用介面，實際函數內容的程式碼是隱藏 在使用介面後，函數實際內容的程式碼撰寫稱為 「實作」（Implementations）。

13 6-2-1 函數是一個黑盒子-規則 函數的使用介面需要直接、良好定義和容易了解。
在使用函數時，並不需要知道任何有關內部實作的問題，唯一需要知道的是如何使用它的使用介面。 在實作程序時，並不用考量或知道到底是誰需要使用此函數，只需滿足使用介面定義的輸入參數和傳回值即可。

14 6-2-1 函數是一個黑盒子-語法與語意 函數的「語法」（Syntactic）是說明函數需要傳入何種資料型態的「參數」（Parameters）和傳回值。 「語意」（Semantic）是指出函數可以作什麼事？ 撰寫函數時，需要了解函數的語法規則，而呼叫函數時需要了解其語意規則，如此才可以正確的呼叫函數。

15 6-2-2 建立C語言的函數-語法 C語言的函數是由函數名稱和程式區塊所組成，其語法格式如下所示：
傳回值型態 函數名稱( 參數列 ) { 程式敘述; …… return 傳回值; } 傳回值型態是函數傳回值的資料型態，函數名稱如同變數命名方式由設計者自行命名，函數使用return關鍵字傳回函數值。

16 6-2-2 建立C語言的函數-範例 一個沒有參數列和傳回值的函數，如下所示：
void writeString() { printf("歡迎使用C/C++!\n"); } 在括號內定義傳入的參數列，不過這個函數並沒有任何參數，所以空白，也可以使用void，如下所示： void writeString(void) { }

17 6-2-2 建立C語言的函數-呼叫 在C語言的程式碼呼叫函數需要使用函數名稱，其語法格式如下所示：
函數名稱( 參數列 ); 因為前述函數writeString()沒有傳回值和參數列，所以呼叫函數只需使用函數名稱，如下所示： writeString();

18 6-2-2 建立C語言的函數-呼叫過程

19 6-2-3 函數的原型宣告-語法 ANSI-C語言的函數分為「宣告」（Declaration）和「定義」（Definition）兩個部分，範例Ch6-2-2.c的函數程式區塊是實際的函數定義，程式並沒有宣告函數，這是因為呼叫函數的程式碼位在定義之後，所以並不需要先行宣告。 如果呼叫函數的程式碼是在函數定義之前，就需要在程式開頭宣告函數的原型，其語法格式如下所示： 傳回值型態 函數名稱( 參數列 );

20 6-2-3 函數的原型宣告-實例 函數原型宣告是程式碼，在最後需加上「;」分號，如下所示：
void writeString(void); void one2Five(); 程式碼是writeString()和one2Five()函數的原型宣告，因為沒有參數，可以使用空白或void表示沒有參數。 擁有參數的函數原型宣告，如下所示： void printTriangle(char, int); void one2N(int);

21 6-2-4 函數的參數-說明 函數的參數列是一個資訊傳遞的機制，可以從外面將資訊送入函數的黑盒子，參數列是函數的使用介面。函數如果擁有參數列，在呼叫時，因為傳入不同的參數值，就可以產生不同的執行結果。

22 6-2-4 函數的參數-範例 一個擁有參數列的函數範例，如下所示：
void printTriangle(char ch, int rows) { /* 變數宣告 */ int i, j; /* 巢狀迴圈列印三角形 */ for ( i = 1; i <= rows; i++ ) for ( j = 1; j <= i; j++ ) printf("%c", ch); printf("\n"); }

23 6-2-4 函數的參數-正式參數 printTriangle()函數定義的參數稱為「正式參數」（Formal Parameters）或「假的參數」（Dummy Parameters）。 正式參數是識別字，其角色如同變數，需要指定資料型態，並且可以在函數的程式碼區塊中使用，如果參數不只一個請使用「,」符號分隔。

24 6-2-4 函數的參數-呼叫參數的函數與實際參數
函數擁有參數列，在呼叫時需要加上參數列（或稱為引數），如下所示： printTriangle('*', rows); 上述呼叫函數的參數稱為「實際參數」（Actual Parameters），參數可以是常數值，例如：'*'、變數或運算式，例如：rows，其運算結果的值需要和正式參數定義的資料型態相同（編譯程式會強迫型態轉換成相同的型態），函數的每一個正式參數都需要對應一個同型態的實際參數。

25 6-2-5 函數的傳回值-語法 C語言函數的傳回值型態不是void，而是指定的資料型態int或char等，就表示這個函數擁有傳回值。
因為函數在執行完程式區塊後，需要傳回值，傳回指令的語法格式如下所示： return 運算式;

26 6-2-5 函數的傳回值-範例 擁有傳回值的函數範例，如下所示： int n2N(int start, int end) {
/* 變數宣告 */ int i; int total = 0; /* 迴圈敘述 */ for ( i = start; i <= end; i++ ) total += i; return total; }

27 6-2-5 函數的傳回值-呼叫 函數擁有傳回值，在呼叫時可以使用指定敘述取得傳回值，如下所示：
total = n2N(start, end); 程式碼的變數total可以取得函數的傳回值，變數total的資料型態與函數傳回值型態是相同的。

28 6-3 函數的參數呼叫方式 6-3-1 傳值的參數呼叫 6-3-2 傳址的參數呼叫

29 6-3 函數的參數呼叫方式

30 6-3-1 傳值的參數呼叫 C語言傳值的參數呼叫只是將複製的參數值傳到函數，所以在函數存取參數值並不是原來傳入的變數，當然也就不會更改呼叫的變數值。 void swap(int x, int y) { int temp; temp = x; x = y; y = temp; }

31 6-3-2 傳址的參數呼叫 C語言的傳址呼叫就是傳遞指標變數，指標變數是一個指向其它變數位址的變數，它是一個位址值，在參數的變數名稱前只需使用「*」號標示是指標變數，傳遞進函數的是參數的變數位址，而不是變數值，如下所示： void swap(int *x, int *y) { int temp; temp = *x; *x = *y; *y = temp; }

32 6-4 變數的有效範圍 6-4-1 區域與全域變數 6-4-2 靜態變數 6-4-3 暫存器變數

33 6-4 變數的有效範圍 C語言名稱的「有效範圍」（Scope）是指 該名稱（通常是指變數）在程式中可以存 取的的程式碼區域。
例如：在函數中宣告的變數或參數都只可 以在函數的程式區塊中存取，不同函數的 同名變數是毫不相干的不同變數。

34 6-4-1 區域與全域變數 C語言的變數範圍將影響變數值的存取，C語言的變數範圍，如下所示：
區塊範圍（Block Variable Scope）：在程式區塊宣告的變數，變數只能在區塊內使用，在區塊之外的程式碼並不能存取此變數。 區域變數範圍（Local Variable Scope）：在函數內宣告的變數或參數，變數只能在宣告的程式區塊使用，在函數外的程式碼並無法存取此變數。 全域變數範圍（Global Variable Scope)：如果是在函數外宣告的變數，在整個程式檔案都可以存取此變數，如果全域變數沒有指定初值，其預設值是0。

35 6-4-2 靜態變數 如果在函數的程式區塊宣告靜態變數，不同於其它區域變數，在離開函數時會消失，靜態變數會配置固定的儲存位置，在重複呼叫函數時，靜態變數值都會保留。 在函數將區域變數宣告成靜態變數，只需在變數前加上static關鍵字，如下所示： static int step = 0;

36 6-4-3 暫存器變數-說明 C語言的暫存器變數是針對那些存取十分頻繁的變數，可以直接將變數置於CPU的暫存器，以便加速程式的執行，通常是使用在迴圈的計數器變數。只需在宣告變數前加上register關鍵字，就可以宣告暫存器變數，如下所示： register int i;

37 6-4-3 暫存器變數-限制 暫存器變數在使用上有一些限制，如下所示： 暫存器變數只可以使用在區域變數或函數的參數。
暫存器變數允許使用的個數需視CPU的電腦硬體而定，而且只有少數變數可以宣告成暫存器變數。 編譯程式對於暫存器變數並不一定處理，不過就算我們將變數宣告成register也無所謂，編譯程式會自行決定是否處理。 暫存器變數並不能使用「&」取址運算子取得變數的位址。

38 6-5 遞迴函數 6-5-1 遞迴的基礎 6-5-2 遞迴的階層函數 6-5-3 河內塔問題

39 6-5-1 遞迴的基礎 遞迴的觀念主要是在建立遞迴函數，其基本定義，如下所示：
一個問題的內涵是由本身所定義的話，稱之為遞迴。 遞迴函數是由上而下分析方法的一種特殊的情況，因為子問題本身和原來問題擁有相同的特性，只是範圍改變，範圍逐漸縮小到一個終止條件。遞迴函數的特性，如下所示： 遞迴函數在每次呼叫時，都可以使問題範圍逐漸縮小。 函數需要擁有一個終止條件，以便結束遞迴函數的執行，否則遞迴函數並不會結束，而是持續的呼叫自已。

40 6-5-2 遞迴的階層函數-說明 遞迴函數最簡易的應用是數學的階層函數 n!，如下所示：

41 6-5-2 遞迴的階層函數-過程1 例如：計算4!的值，從上述定義n>0，使用n!定義的第2條計算階層函數4!的值，如下所示：
4!=4*3*2*1=24 因為階層函數本身擁有遞迴特性。可以將4!的計算分解成子問題，如下所示： 4!=4*(4-1)!=4*3! 現在3!的計算成為一個新的子問題，必須先計算出3!值後，才能處理上述的乘法。

42 6-5-2 遞迴的階層函數-過程2 同理將子問題3!繼續分解，如下所示： 最後在知道1!的值後，接著就可以計算出2!~4!的值，如下所示：
3! = 3*(3-1)! = 3*2! 2! = 2*(2-1)! = 2*1! 1! = 1*(1-1)! = 1*0! = 1*1 = 1 最後在知道1!的值後，接著就可以計算出2!~4!的值，如下所示： 2! = 2*(2-1)! = 2*1! = 2 3! = 3(3-1)! = 3*2! = 3*2 = 6 4! = 4*(4-1)! = 4*3! = 24

43 6-5-2 遞迴的階層函數-函數 /* 函數: 計算n!的值 */ long factorial(int n) {
if ( n == 1 ) /* 終止條件 */ return 1; else return n * factorial(n-1); }

44 6-5-3 河內塔問題-說明 「河內塔」（Tower of Hanoi）問題是程式語言在說明遞迴觀念時，不可錯過的實例，這是一個流傳在Brahma廟內的遊戲，廟內的僧侶相信完成這個遊戲是一件不可能的任務。河內塔問題共有三根木樁，如下圖所示：

45 6-5-3 河內塔問題-規則 共有n個盤子放置在第一根木樁，盤子的尺寸由上而下依序遞增。河內塔問題是將所有的盤子從木樁1搬移到木樁3，在搬動的過程中有三項規則，如下所示： 每次只能移動一個盤子，而且只能從最上面的盤子搬動。 任何盤子可以搬到任何一根木樁。 必須維持盤子的大小是由上而下依序遞增。

46 6-5-3 河內塔問題-步驟 歸納出三個步驟，如下所示： Step 1：將最上面n-1個盤子從木樁1搬移到木樁2。

47 6-5-3 河內塔問題-函數 /* 遞迴函數: 河內塔問題 */
void towerofHanoi(int dishs, int peg1, int peg2, int peg3) { if ( dishs == 1 ) /* 終止條件 */ printf("盤子從%d移到%d\n", peg1, peg3); else /* 第二步驟 */ towerofHanoi(dishs-1, peg1, peg3, peg2); /* 第三步驟 */ towerofHanoi(dishs-1, peg2, peg1, peg3); }

48 6-6 C語言的巨集 6-6-1 含括檔案（File Inclusion） 6-6-2 巨集指令（Macro Substitution）
6-6-3 條件式含括檔案或指定常數

49 6-6 C語言的巨集 C語言的巨集是程式碼在編譯前透過「C的前置處理器」（The C PreProcessor）來處理，這是位在C程式檔開頭以「#」字元起頭的指令。 目前我們已經使用過#include和#define指令，更進一步還可以使用這些前置處理器指令建立「巨集」（Macro）。

50 6-6-1 引入檔案（File Inclusion）
C前置處理器的#include指令可以將其它程式檔案的內容含括到目前的程式檔案，含括的意義是將檔案內容直接複製到程式碼檔案，其指令格式如下所示： #include <檔案名稱.h> 如果是自行定義的標頭檔案（通常是使用副檔名.h），檔案和C程式檔位在相同目錄時，可以使用引號括起檔案名稱，如下所示： #include "檔案名稱.h"

51 6-6-2 巨集指令（Macro Substitution）-語法
C前置處理器的#define指令除了定義常數，事實上，#define指令是巨集指令，可以定義新關鍵字或使用參數建立巨集函數。 #define巨集指令的格式，如下所示： #define 名稱 替換的內容

52 6-6-2 巨集指令（Macro Substitution）-範例
#define FOREVER for(;;) FOREVER是一個無窮的for迴圈。 巨集指令還可以加上參數建立巨集函數，如下所示： #define swap(x, y) { int _z; \ _z = y; \ y = x; \ x = _z; }

53 6-6-2 巨集指令（Macro Substitution）-執行過程
swap(x, y); swap()事實上是巨集函數，C前置處理器會將它展開成程式區塊，如下所示： { int _z; _z = y; y = x; x = _z; }

54 6-6-3 條件式含括檔案或指定常數-#if/#else/#endif條件
#if INC == 10 #define EDGE 2 #endif 當常數INC為10時，就指定常數EDGE。如果是二選一的條件，如下所示： #else #define EDGE 0

55 6-6-3 條件式含括檔案或指定常數-#elif條件
#if INC == 10 #define EDGE 2 #elif INC == 5 #define EDGE 1 #else #define EDGE 0 #endif

56 6-6-3 條件式含括檔案或指定常數-#ifdef或#ifndef條件
#ifdef OFFSET #define INC 5 #else #define INC 10 #endif 如果沒有定義就含括指定的標頭檔，如下所示： #ifndef PI #include "Ch6-6-1.h"

57 6-7 C語言的標準函式庫 6-7-1 亂數函數 6-7-2 數學函數

58 6-7 C語言的標準函式庫 ANSI-C語言定義的標準函式庫一共擁有十幾個函式庫，函數的原型宣告分別定義在這十幾標頭檔，每一個標頭檔的函數擁有特定功能，常用函式庫的簡介，如下表所示：

59 6-7-1 亂數函數 「亂數」（Random Numbers）是使用一個整數的種子數（Seed），然後使用數學公式所產生的一系列隨機數值，在<stdlib.h>標頭檔一共定義2個亂數函數，如下表所示：

60 6-7-2 數學函數-1 在<math.h>標頭檔提供各種三角函數（Trigonometic）、指數（Exponential）和對數（Logarithmic）的數學函數，所有函數的傳回值是double，其相關函數如下表所示：

61 6-7-2 數學函數-2

62 6-7-2 數學函數-3