高质量C++/C编程指南 – 第6章 函数设计

第6章 函数设计

函数是C++/C程序的基本功能单元，其重要性不言而喻。函数设计的细微缺点很容易导致该函数被错用，所以光使函数的功能正确是不够的。本章重点论述函数的接口设计和内部实现的一些规则。

函数接口的两个要素是参数和返回值。C语言中，函数的参数和返回值的传递方式有两种：值传递（pass by value）和指针传递（pass by pointer）。C++ 语言中多了引用传递（pass by reference）。由于引用传递的性质象指针传递，而使用方式却象值传递，初学者常常迷惑不解，容易引起混乱，请先阅读6.6节“引用与指针的比较”。

6.1 参数的规则
【规则6-1-1】参数的书写要完整，不要贪图省事只写参数的类型而省略参数名字。如果函数没有参数，则用void填充。
例如：
void SetValue(int width, int height);   // 良好的风格
void SetValue(int, int);            // 不良的风格
float GetValue(void);    // 良好的风格
float GetValue();       // 不良的风格
 
【规则6-1-2】参数命名要恰当，顺序要合理。
例如编写字符串拷贝函数StringCopy，它有两个参数。如果把参数名字起为str1和str2，例如void StringCopy(char *str1, char *str2);

那么我们很难搞清楚究竟是把str1拷贝到str2中，还是刚好倒过来。
可以把参数名字起得更有意义，如叫strSource和strDestination。这样从名字上就可以看出应该把strSource拷贝到strDestination。

还有一个问题，这两个参数那一个该在前那一个该在后？参数的顺序要遵循程序员的习惯。一般地，应将目的参数放在前面，源参数放在后面。
如果将函数声明为：
void StringCopy(char *strSource, char *strDestination);
别人在使用时可能会不假思索地写成如下形式：
char str[20];
StringCopy(str, “Hello World”);   // 参数顺序颠倒

【规则6-1-3】如果参数是指针，且仅作输入用，则应在类型前加const，以防止该指针在函数体内被意外修改。
例如：
void StringCopy(char *strDestination，const char *strSource);

【规则6-1-4】如果输入参数以值传递的方式传递对象，则宜改用“const &”方式来传递，这样可以省去临时对象的构造和析构过程，从而提高效率。

【建议6-1-1】避免函数有太多的参数，参数个数尽量控制在5个以内。如果参数太多，在使用时容易将参数类型或顺序搞错。

【建议6-1-2】尽量不要使用类型和数目不确定的参数。
C标准库函数printf是采用不确定参数的典型代表，其原型为：
int printf(const chat *format[, argument]…);
这种风格的函数在编译时丧失了严格的类型安全检查。

6.2 返回值的规则
【规则6-2-1】不要省略返回值的类型。

C语言中，凡不加类型说明的函数，一律自动按整型处理。这样做不会有什么好处，却容易被误解为void类型。

C++语言有很严格的类型安全检查，不允许上述情况发生。由于C++程序可以调用C函数，为了避免混乱，规定任何C++/ C函数都必须有类型。如果函数没有返回值，那么应声明为void类型。

【规则6-2-2】函数名字与返回值类型在语义上不可冲突。
违反这条规则的典型代表是C标准库函数getchar。
例如：
char c;
c = getchar();
if (c == EOF)
…
按照getchar名字的意思，将变量c声明为char类型是很自然的事情。但不幸的是getchar的确不是char类型，而是int类型，其原型如下：
      int getchar(void);

由于c是char类型，取值范围是[-128，127]，如果宏EOF的值在char的取值范围之外，那么if语句将总是失败，这种“危险”人们一般哪里料得到！导致本例错误的责任并不在用户，是函数getchar误导了使用者。

【规则6-2-3】不要将正常值和错误标志混在一起返回。正常值用输出参数获得，而错误标志用return语句返回。

回顾上例，C标准库函数的设计者为什么要将getchar声明为令人迷糊的int类型呢？他会那么傻吗？
在正常情况下，getchar的确返回单个字符。但如果getchar碰到文件结束标志或发生读错误，它必须返回一个标志EOF。为了区别于正常的字符，只好将EOF定义为负数（通常为负1）。因此函数getchar就成了int类型。

我们在实际工作中，经常会碰到上述令人为难的问题。为了避免出现误解，我们应该将正常值和错误标志分开。即：正常值用输出参数获得，而错误标志用return语句返回。
函数getchar可以改写成 BOOL GetChar(char *c);
虽然gechar比GetChar灵活，例如 putchar(getchar()); 但是如果getchar用错了，它的灵活性又有什么用呢？

【建议6-2-1】有时候函数原本不需要返回值，但为了增加灵活性如支持链式表达，可以附加返回值。

例如字符串拷贝函数strcpy的原型：
char *strcpy(char *strDest，const char *strSrc);
strcpy函数将strSrc拷贝至输出参数strDest中，同时函数的返回值又是strDest。这样做并非多此一举，可以获得如下灵活性：
    char str[20];
    int  length = strlen( strcpy(str, “Hello World”) );

【建议6-2-2】如果函数的返回值是一个对象，有些场合用“引用传递”替换“值传递”可以提高效率。而有些场合只能用“值传递”而不能用“引用传递”，否则会出错。
例如：
class String
{…
    // 赋值函数
    String & operate=(const String &other);   
// 相加函数，如果没有friend修饰则只许有一个右侧参数
friend    String   operate+( const String &s1, const String &s2);
private:
    char *m_data;
}

String的赋值函数operate = 的实现如下：
String & String::operate=(const String &other)
{
    if (this == &other)
        return *this;
    delete m_data;
    m_data = new char[strlen(other.data)+1];
    strcpy(m_data, other.data);
    return *this;    // 返回的是 *this的引用，无需拷贝过程
}
 对于赋值函数，应当用“引用传递”的方式返回String对象。如果用“值传递”的方式，虽然功能仍然正确，但由于return语句要把 *this拷贝到保存返回值的外部存储单元之中，增加了不必要的开销，降低了赋值函数的效率。例如：
  String a,b,c;
  …
  a = b;     // 如果用“值传递”，将产生一次 *this 拷贝
  a = b = c;   // 如果用“值传递”，将产生两次 *this 拷贝
 
String的相加函数operate + 的实现如下：
String  operate+(const String &s1, const String &s2) 
{
    String temp;
    delete temp.data;    // temp.data是仅含‘’的字符串
        temp.data = new char[strlen(s1.data) + strlen(s2.data) +1];
        strcpy(temp.data, s1.data);
        strcat(temp.data, s2.data);
        return temp;
    }
 对于相加函数，应当用“值传递”的方式返回String对象。如果改用“引用传递”，那么函数返回值是一个指向局部对象temp的“引用”。由于temp在函数结束时被自动销毁，将导致返回的“引用”无效。例如：
    c = a + b;
此时 a + b 并不返回期望值，c什么也得不到，流下了隐患。

6.3 函数内部实现的规则
不同功能的函数其内部实现各不相同，看起来似乎无法就“内部实现”达成一致的观点。但根据经验，我们可以在函数体的“入口处”和“出口处”从严把关，从而提高函数的质量。

【规则6-3-1】在函数体的“入口处”，对参数的有效性进行检查。
很多程序错误是由非法参数引起的，我们应该充分理解并正确使用“断言”（assert）来防止此类错
误。详见6.5节“使用断言”。

【规则6-3-2】在函数体的“出口处”，对return语句的正确性和效率进行检查。
     如果函数有返回值，那么函数的“出口处”是return语句。我们不要轻视return语句。如果return语句写得不好，函数要么出错，要么效率低下。
注意事项如下：
（1）return语句不可返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”，因为该内存在函数体结束时被自动销毁。例如
    char * Func(void)
    {
        char str[] = “hello world”;    // str的内存位于栈上
        …
        return str;     // 将导致错误
    }
（2）要搞清楚返回的究竟是“值”、“指针”还是“引用”。
（3）如果函数返回值是一个对象，要考虑return语句的效率。例如   
              return String(s1 + s2);
这是临时对象的语法，表示“创建一个临时对象并返回它”。不要以为它与“先创建一个局部对象temp并返回它的结果”是等价的，如
String temp(s1 + s2);
return temp;
实质不然，上述代码将发生三件事。首先，temp对象被创建，同时完成初始化；然后拷贝构造函数把temp拷贝到保存返回值的外部存储单元中；最后，temp在函数结束时被销毁（调用析构函数）。
然而“创建一个临时对象并返回它”的过程是不同的，编译器直接把临时对象创建并初始化在外部存储单元中，省去了拷贝和析构的化费，提高了效率。

类似地，我们不要将return int(x + y); // 创建一个临时变量并返回它写成
int temp = x + y;
return temp;
由于内部数据类型如int,float,double的变量不存在构造函数与析构函数，虽然该“临时变量的语法”不会提高多少效率，但是程序更加简洁易读。

6.4 其它建议
【建议6-4-1】函数的功能要单一，不要设计多用途的函数。
【建议6-4-2】函数体的规模要小，尽量控制在50行代码之内。
【建议6-4-3】尽量避免函数带有“记忆”功能。相同的输入应当产生相同的输出。

带有“记忆”功能的函数，其行为可能是不可预测的，因为它的行为可能取决于某种“记忆状态”。这样的函数既不易理解又不利于测试和维护。在C/C++语言中，函数的static局部变量是函数的“记忆”存储器。建议尽量少用static局部变量，除非必需。

【建议6-4-4】不仅要检查输入参数的有效性，还要检查通过其它途径进入函数体内的变量的有效性，例如全局变量、文件句柄等。

【建议6-4-5】用于出错处理的返回值一定要清楚，让使用者不容易忽视或误解错误情况。

6.5 使用断言
程序一般分为Debug版本和Release版本，Debug版本用于内部调试，Release版本发行给用户使用。

断言assert是仅在Debug版本起作用的宏，它用于检查“不应该”发生的情况。示例6-5是一个内存复制函数。在运行过程中，如果assert的参数为假，那么程序就会中止（一般地还会出现提示对话，说明在什么地方引发了assert）。

         void  *memcpy(void *pvTo, const void *pvFrom, size_t size)
{
        assert((pvTo != NULL) && (pvFrom != NULL));     // 使用断言
        byte *pbTo = (byte *) pvTo;     // 防止改变pvTo的地址
        byte *pbFrom = (byte *) pvFrom; // 防止改变pvFrom的地址
        while(size — > 0 )
             *pbTo ++ = *pbFrom ++ ;
        return pvTo;
}
 示例6-5 复制不重叠的内存块

assert不是一个仓促拼凑起来的宏。为了不在程序的Debug版本和Release版本引起差别，assert不应该产生任何副作用。所以assert不是函数，而是宏。程序员可以把assert看成一个在任何系统状态下都可以安全使用的无害测试手段。如果程序在assert处终止了，并不是说含有该assert的函数有错误，而是调用者出了差错，assert可以帮助我们找到发生错误的原因。

很少有比跟踪到程序的断言，却不知道该断言的作用更让人沮丧的事了。你化了很多时间，不是为了排除错误，而只是为了弄清楚这个错误到底是什么。有的时候，程序员偶尔还会设计出有错误的断言。所以如果搞不清楚断言检查的是什么，就很难判断错误是出现在程序中，还是出现在断言中。
幸运的是这个问题很好解决，只要加上清晰的注释即可。这本是显而易见的