C++函数指针详解
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
-
C++ Primer(第5版)Ch 6.7 函数指针
-
C++ Primer Plus (第6版) Ch 7.10 函数指针