C基础 12_day

内容提要

• 函数
  • 函数的嵌套关系
  • 函数的递归调用
  • 数组做函数参数
  • 变量的作用域
  • 变量的生命周期

函数

函数的嵌套调用

定义

函数不允许嵌套定义，但是允许嵌套调用。

• 正确示例：函数嵌套调用

  void a()
  {
  	...
  }
  // 函数的嵌套调用
  void b()
  {
      a();
  }
  
  int main()
  {
      printf(...);
  }
  

• 错误示例：函数嵌套定义

  // 函数的嵌套定义
  void a()
  {
      void b()
      {
         ... 
      }
  }
  

嵌套调用： 在被调函数内又主动去调用其他函数，这样的函数调用形式，称之为嵌套调用。

案例

案例1

• 需求：编写一个函数，判断给定的3~100的正整数是否是素数，若是返回1，否则返回0

• 分析：

  • 素数：又被称作质数，素数是大于1的自然数，除了1和它本身以外，不能被其他数整除。

• 代码：

  #include <stdio.h>
  
  /**
   * 定义一个函数，判断一个自然数是否是素数
   * @param n  待判断的自然数
   * @return   1-素数，0-非素数
   */
  int is_prime(int n)
  {
      // 定义一个标记，默认是素数
      int flag = 1;
      // 循环变量  
      int i;
  
      // 生成测试数据 2～n/2
      for (i = 2; i <= n/2; i++)
      {
          // 校验
          if (n % i == 0)
          {
              flag = 0;
              break;
          }
      }
  
      return flag;
  }
  
  int main(int argc,char *argv[])
  {
      // 生存3～100之间的自然数
      for (int i = 3; i <= 100; i++)
      {
          // 如果是自然数，就打印，否则不打印
          if (is_prime(i)) printf("%-4d",i);
      }
  
      printf("\n");
  
      return 0;
  }
  
  

案例2

• 需求：通过控制台输入一个整数，校验这个整数在一个已知数组中的位置，如果找到，返回下标，找不到，返回-1。

• 代码：

  #include <stdio.h>
  
  /** 
   * 定义一个函数，在一个数组中查找指定数据的位置
   * @param arr[]  待查询的数组
   * @param len    数组传参，只传数组首地址，因此我们没法通过sizeof关键字计算数组大小，所以需要从外部传递进来
   * @param n      待查询的数据
   * @return       >=0：找到，-1：未找到
   */ 
  int find_index(int arr[], int len, int n)
  {
      // 定义一个标志
      int index = -1;
  
      // 遍历数组
      for (int i = 0; i < len; i++)
      {
          // 获取位置
          if (arr[i] == n)
          {
              // 更新位置
              index = i;
              break;
          }
      }
  
      return index;
  }
  
  int main(int argc,char *argv[])
  {
      int arr[] = {11,22,33,44,55};
      int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
  
      int n = 66;
      int index = find_index(arr, len, n);
      index != -1 ? printf("%d在数组中的位置是%d\n",n, index) : printf("未找到%d在数组中的位置！\n", n);
  
      int n2 = 33;
      int index2 = find_index(arr, len, n2);
      index2 != -1 ? printf("%d在数组中的位置是%d\n",n2, index2) : printf("未找到%d在数组中的位置！\n", n2);
  
      return 0;
  }
  
  

案例3

• 需求：输入四个整数，找出其中最大的数，用函数嵌套来实现，要求每次只能两个数比较。

• 代码：

  #include <stdio.h>
  
  // 函数声明
  int max_2(int, int);
  int max_4(int, int, int, int);
  
  /**
   * 求2个数中的最大值
   */ 
  int max_2(int a, int b)
  {
      return a > b ? a : b;
  }
  
  /**
   * 求4个数中的最大值
   */ 
  int max_4(int a, int b, int c, int d)
  {
      // 写法1
      // int max;
      // max = max_2(a,b);
      // max = max_2(max, c);
      // max = max_2(max, d);
      
      // 写法2
      return max_2(a,b) > max_2(c,d) ? max_2(a,b) : max_2(c,d);
  }
  int main(int argc,char *argv[])
  {
      int a, b, c, d;
  
      printf("请输入4个整数：\n");
      scanf("%d%d%d%d",&a, &b, &c, &d);
  
      printf("%d,%d,%d,%d中最大数是%d\n", a, b, c, d, max_4(a,b,c,d));
  
      return 0;
  }
  
  

函数的递归调用

定义

递归调用的含义

在一个函数中，直接或者间接调用了函数本身，就称之为递归调用。本质上还是函数的嵌套调用。

// 直接调用   推荐
a() → a();

// 间接调用
a() → b() → a();
a() → b() → .. → a();

递归调用的本质

递归调用是一种循环结构，它不同于我们之前学过的while、for、do…while这样的循环结构，这些循环结构是借助于循环变量；而递归调用是利用函数自身实现循环结构，如果不加以控制，很容易产生死循环。

注意事项

① 递归调用必须要有出口，一定要想办法终止递归（否则会产生死循环）

② 对终止条件的判断一定要放在函数递归之前。（先判断，在执行）

③ 进行函数的递归调用。

④ 函数递归的同时一定要将函数调用向出口逼近。

递归的底层实现

C语言函数递归的底层实现依赖于程序调用栈（Call Stack），其核心过程是通过栈帧（Stack Frame）的创建与销毁来管理函数的多次调用。具体底层逻辑如下：

1. 栈帧的作用

每次函数调用（包括递归调用自身）时，系统会在内存的栈区为该次调用分配一块独立的内存空间，即栈帧。栈帧用于存储：

• 函数的参数值

• 函数内的局部变量

• 调用结束后返回的地址（即该次调用结束后，程序应回到的原执行位置）

2. 递归调用的底层流程

以计算阶乘 n! 的递归函数 fac(n) 为例（fac(n) = n *fac(n-1) ，终止条件 fac(1) = 1 ）：

• 第一步：调用 fac(3) 时，系统创建栈帧1，存储参数 n=3 、局部变量及返回地址（假设主函数调用处），然后执行函数体，发现需要调用 fac(2) 。

• 第二步：调用 fac(2) 时，系统在栈顶创建栈帧2，存储参数 n=2 及新的返回地址（fac(3) 中等待结果的位置），暂停 fac(3) 的执行，转去执行 fac(2) 。

• 第三步：同理，调用 fac(1) 时，创建栈帧3，存储 n=1 及返回地址（fac(2) 中等待结果的位置）。

• 终止与回溯：当执行到 fac(1) 时，触发终止条件，直接返回结果 1 。此时栈帧3被销毁，程序回到栈帧2中继续执行（计算 2 * 1 = 2 ），栈帧2销毁后回到栈帧1（计算 3 * 2 = 6 ），最终栈帧1销毁，返回结果给主函数。

3. 关键特点

• 栈的“后进先出”特性：递归调用时，新的栈帧总是压在栈顶，而只有最顶层的栈帧（即最后一次调用）执行完毕并返回结果后，上层的栈帧才能继续执行（对应递归的“回溯”过程）。

• 栈溢出风险：若递归次数过多（如未设置终止条件或终止条件无法触发），会导致栈帧不断创建，超出栈区内存上限，触发“栈溢出（Stack Overflow）”错误，程序崩溃。

简言之，递归的底层本质是通过栈帧的层层创建（递推）和销毁（回溯），实现函数自身的多次调用管理，而栈的特性保证了递归调用的顺序和结果传递。

案例

案例1

• 需求：

  递归案例

  有5个人坐在一起，
  问第５个人多少岁？他说比第４个人大２岁。
  问第４个人岁数，他说比第３个人大２岁。
  问第３个人，又说比第２个人大２岁。
  问第２个人，说比第１个人大２岁。
  最后问第１个人，他说是１０岁。
  请问第５个人多大。

• 分析：

  

• 代码：

  #include <stdio.h>
  
  /**
   * 定义一个函数，求年龄
   * @param n 第n个人
   * @return 第n个人的年龄
   */ 
  int age(int n)
  {
      // 创建一个变量，存储当前这个人的年龄
      int _age;
  
      // 出口
      if (n == 1) // 第1个人
      {
          _age = 10;
      }
      else if (n > 1)
      {
          _age = age(n-1) + 2; // 当前这个人的年龄 = 上一个人的年龄 + 2
      }
      return _age;
  }
  int main(int argc,char *argv[])
  {
      int n = 5;
      printf("第%d个人的年龄是%d岁！\n", n, age(n));
  
      return 0;
  }
  
  

  案例2

  • 需求：求n的阶乘

  • 分析：

    

  • 代码：

    #include <stdio.h>
    
    /**
     * 创建一个函数，实现n的阶乘
     * @param n 阶乘上限
     * @return n的阶乘结果
     */ 
    size_t fac(int n)
    {
        // 定义一个变量，用来接收阶乘结果
        size_t res;
    
        // 出口校验
        if (n <= 0)
        {
            printf("n的范围不能是0及以下数字！\n");
            return -1;
        }
        else if (n == 1) // 出口
        {
            res = 1; // 出口设置
        }
        else 
        {
            res = fac(n-1) * n;
        }
        return res;
    }
    
    int main(int argc,char *argv[])
    {
        size_t n;
    
        printf("请输入一个整数：\n");
        scanf("%lu", &n);
    
        printf("%lu的阶乘结果是%lu\n", n, fac(n));
    
        return 0;
    }
    
    

快速排序算法

快速排序是一种高效的分治（Divide and Conquer）排序算法。它的核心思想是通过选取一个基准值（pivot），将数组划分为两个子数组：一个子数组的所有元素比基准值小，另一个子数组的所有元素比基准值大，然后递归地对子数组进行排序。

快速排序的基本步骤

1. 选择基准值（Pivot Selection）：
   • 从数组中选择一个元素作为基准值。常见的选择方式包括：
     • 第一个或最后一个元素（简单但可能效率不高，尤其在已排序或接近排序的数组中）。
     • 随机选择一个元素（减少最坏情况概率）。
     • 三数取中法（如第一个、中间、最后一个元素的中位数，提高分区均衡性）。
2. 分区（Partition）：
   • 重新排列数组，使得：
     • 所有比基准值小的元素移到基准值的左侧。
     • 所有比基准值大的元素移到基准值的右侧。
   • 分区完成后，基准值处于其最终排序后的正确位置。
   • （注：分区是快速排序的关键步骤，常见的实现有Lomuto分区和Hoare分区方案。）
3. 递归排序（Recursion）：
   • 对基准值左侧的子数组和右侧的子数组递归地调用快速排序。
   • 递归的终止条件是子数组的长度为0或1（已有序）。
4. 合并结果（Combine）：
   • 由于每次分区后基准值已位于正确位置，且左右子数组通过递归排序完成，因此无需显式合并操作，整个数组自然有序。

总结

通过一个基准值（pivot）不断拆分数组，直到子数组无法再拆分（即子数组长度为1或0），此时整个数组就有序了。

代码

#include <stdio.h>

/**
 * 快速排序函数（递归实现）
 * @param arr 待排序数组
 * @param n   数组长度
 *
 */ 
void QSort(int arr[], int n)
{
    // 出口限制，如果排序数组的大小<=1，此时数组就不再排序
    if (n <= 1) return;

    // 定义两个标记，i从左向右，j从右向左，锁定排序数组的区间
    int i = 0, j = n - 1;
    // 选择排序数组的第一个元素作为基准值（可优化为取中法）
    int pivot = arr[0];

    // 分区过程
    while(i < j)
    {
        // 从右向左查找第一个小于等于基准值的元素（<=基准值的数据）
        while (i < j && arr[j] > pivot) j--;
        // 从左向右查找第一个大于基准值的元素（>基准值的数据）
        while (i < j && arr[i] <= pivot) i++;

        // 交换这两个元素
        if (i < j)
        {
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[j];
            arr[j] = temp;
        }
    }

    // 将基准值更新到正确位置（i == j）
    arr[0] = arr[i];
    arr[j] = pivot;

    //  切割子数组
    QSort(arr,i); // 左边部分
    QSort(arr+i+1,n-i-1); // 右边部分
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    int arr[] = {23,45,56,24,78,22,19};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    QSort(arr, n);// 函数的参数是数组，传递的是这个数组的首地址，函数中可以修改实参数据，符合这种条件的参数称之为输出型参数

    // 此时是可以直接遍历数组，此时的数组已经经过了修改
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("%-4d",arr[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

数组做函数参数

定义

当使用数组作为函数的实参时，形参应该使用数组形式或者指针变量来接收。需要注意的是：

1. 这种传递方式并不是传递数组中的所有的元素数据，而是传递数组首地址，此时数组降级为指针。
2. 形参接收到这个地址后，形参和实参指向同一块内存空间。
3. 因此，通过形参对数组元素的修改会直接影响到实参。

这种传递方式称为“地址传递”（或“指针传递”），它与“值传递”的不同：

• 值传递：传递数据的副本，修改形参不影响实参

• 地址传递：传递数据的地址，通过形参可以修改实参。“地址传递”是逻辑上的说法，强调 传递的是地址，而不是数据本身。数据本质上还是值传递。

当使用数组作为函数的形参时，通常需要额外传递一个参数表示数组的元素个数。这是因为：

1. 数组形参退化为指针 在函数参数传递时，数组名会退化为指向其首元素的指针（即 int arr[] 等价于 int *arr），因此函数内部无法直接获取数组的实际长度。
2. 防止越界访问 由于形参仅知道数组的首地址，而不知道数组的实际大小，如果不传递元素个数，函数内部可能因错误计算或循环导致 数组下标越界（访问非法内存），引发未定义行为（如程序崩溃、数据损坏）。
3. 通用性 即使实参数组的声明长度固定（如 int a[10]），函数仍应接收元素个数参数，因为函数可能需要处理不同长度的数组（例如动态数组或部分填充的数组）。

案例：

#include <stdio.h>

/**
 * 定义一个函数，将数组作为参数
 */
void fun(int arr[], int len) // 数组传参会被降级为指针，实际传递的是地址值
{
    for (int i = 0; i < len; i++) printf("%-4d",arr[i]); printf("\n");
}

void main()
{
    int arr[] = {11,22,33,44,55};
    int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    
    fun(arr,len);
}

但有一个例外，如果是用字符数组做形参，且实参数组中存放的是字符串数据（形参是字符数组，实参是字符串常量）。则不用表示数组个数的形参，原因是字符串本身会添加自动结束标志\0，举例：

#include <stdio.h>

/**
 * 定义一个函数，传递一个字符串
 */
void fun(char arr[])
{
    char c;
    int i = 0;
    while((c = arr[i]) != '\0')   // arr[i] → arr + i
    {
        printf("%c",c);
        i++;
    }
}

void main()
{
    fun("hello world");
}

为什么sizeof不能用于形参数组？ 在函数内部，sizeof(arr)返回的是指针的大小（32位系统返回4字节，64位系统返回8字节）。例如：

void printSize(int arr[])
{
    printf("%zu\n",sizeof(arr)); // 输出的是指针的大小（8字节），而非数组大小
}

案例

案例1

• 需求：

  有两个数组ａ和ｂ，各有5个元素，将它们对应元素逐个地相比（即ａ[0]与ｂ[0]比，ａ[1]与ｂ[1]比……）。如果ａ数组中的元素大于ｂ数组中的相应元素的数目多于b数组中元素大于a数组中相应元素的数目(例如，a[i]>b]i]6次，b[i]>a[i] 3次，其中i每次为不同的值)，则认为a数组大于b数组，并分别统计出两个数组相应元素大于、等于、小于的个数。

  int a[10] = {12,12,10,18,5};
  int b[10] = {111,112,110,8,5};
  

• 代码：

  #include <stdio.h>
  
  #define LEN 5
  
  /**
   * 定义一个函数，实现两个数字的比较
   * @param x,y 参与比较的两个数字
   * @return x>y--> 1, x<y-->-1, x==y-->0
   */ 
  int get_large(int x, int y)
  {
      int flag = 0;
      if (x > y) flag = 1;
      else if (x < y) flag = -1;
  
      return flag;
  }
  
  int main(int argc,char *argv[])
  {
      // 定义a,b两个测试数组
      int a[LEN] = {12,12,10,18,5};
      int b[LEN] = {111,112,110,8,5};
  
      int max = 0, min = 0, k = 0;
  
      // 遍历数组，进行比较
      for (int i = 0; i < LEN; i++)
      {
          // 同一位置两个数比较
          int res = get_large(a[i], b[i]);
  
          if (res == 1) max++;
          else if (res == -1) min++;
          else k++;
      }
  
      printf("max=%d,min=%d,k=%d\n", max, min, k);
  
      return 0;
  }
  
  

案例2

• 需求：编写一个函数，用来分别求数组score_1（有5个元素）和数组score_2（有10个元素）各元素的平均值 。

• 代码：

  #include <stdio.h>
  
  /**
   * 定义一个函数，求一个数组的平均值
   */ 
  float get_avg(float scores[], int len)
  {
      int i;
  
      float aver, sum = scores[0]; // 平均值，总分
  
      // 遍历数组
      for (i = 1; i < len; i++) sum += scores[i];
  
      // 求平均分
      aver = sum / len;
  
      return aver;
  }
  
  int main(int argc,char *argv[])
  {
      // 测试数组
      float scores1[] = {77,88,99,66,57};
      float scores2[] = {67,87,98,78,67,99,88,77,77,67};
  
      int len = sizeof(scores1) / sizeof(scores1[0]);
      int len2 = sizeof(scores2) / sizeof(scores2[0]);
  
      printf("%6.2f,%6.2f\n", get_avg(scores1, len), get_avg(scores2, len2));
  
      return 0;
  }
  
  

案例3

• 需求：编写一个函数，实现类似strcpy的效果 。

• 代码：

  #include <stdio.h>
  
  /**
   * 自定义一个字符串拷贝函数
   * @param source 源数组
   * @param dest  需要替换的字符串
   */ 
  void _strcpy(char source[], const char dest[])
  {
      // 遍历源数组，以源数组的大小作为循环
      for (int i = 0; source[i] != '\0'; i++)
      {
          // 获取dest相应位置的字符
          source[i] = dest[i];
      }
  }
  
  int main(int argc,char *argv[])
  {
      char str[] = "hello world!";
      printf("%s\n", str);
  
      _strcpy(str,"hi yifan!");
      printf("%s\n", str);
  	
  	_strcpy(str,"娇娇");
      printf("%s\n", str);
  
      return 0;
  }
  
  

变量的作用域

引入问题

我们在函数设计的过程中，经常要考虑对于参数的设计，换句话说，我们需要考虑函数需要几个参数，需要什么类型的参数，但我们并没有考虑函数是否需要提供参数，如果说函数可以访问到已定义的数据，则就不需要提供函数形参。那么我们到底要不要提供函数形参，取决于什么？答案就是变量的作用域（如果函数在变量的作用域范围内，则函数可以直接访问数据，无需提供形参）

变量作用域

概念： 变量的作用范围，也就是说变量在什么范围有效。

变量的分类

根据变量的作用域不同，变量可以分为：

• 全局变量

  说明：定义在函数之外，也称之为外部变量或者全程变量。

  作用域：从全局变量定义到本源文件结束。

  初始值：整型和浮点型，默认值是0；字符型，默认值是\0；指针型，默认值NULL

  举例：

   int num1;  // 全局变量，num1能被fun1、fun2、main共同访问
   void fun1(){}
   int num2;  // 全局变量，num2能被fun2、main共同访问
   void fun2(){}
   void main(){}
   int num3;  // 全局变量，不能被任何函数访问
  

• 局部变量

  说明	作用域	初始值
  形式参数（形参）	函数作用域	随机值，需要手动赋初值
  函数内定义的变量	函数作用域	随机值，需要手动赋初值
  复合语句中定义的变量	块作用域	随机值，需要手动赋初值
  for循环表达式1定义的变量	块作用域	随机值，需要手动赋初值

  举例：

   // a,b就是形式参数（局部变量）
   int add(int a, int b)
   {
       return a + b;
   }
   
   int add2(int a, int b)
   {
       // z就是函数内定义的变量（局部变量）
       int z = a + b;
       return z;
   }
   
   int list(int arr[], int len)
   {
       // i就是for循环表达式1的变量（局部变量）
       for(int i = 0; i < len; i++)
       {
           // num就是复合语句中定义的变量（局部变量）
           int num = arr[i];
       }
   }
  

  使用全局变量的优缺点：

  优点：

  1. 利用全局变量可以实现一个函数对外输出的多个结果数据。
  2. 利用全局变量可以减少函数形参的个数，从而降低内存消耗，以及因为形参传递带来的时间消耗。

  缺点：

  1. 全局变量在程序的整个运行期间，始终占据内存空间，会引起资源消耗。
  2. 过多的全局变量会引起程序的混乱，操作程序结果错误。
  3. 降低程序的通用性，特别是当我们进行函数移植时，不仅仅要移植函数，还要考虑全局变量。
  4. 违反了“高内聚，低耦合”的程序设计原则。

  总结：

  ​ 我们发现弊大于利，建议尽量减少对全局变量的使用，函数之间要产生联系，仅通过实参+形参的方式产生联系。

作用域举例

注意：

如果全局变量和局部变量同名，程序执行的时候，就近原则（区分作用域）

 int a = 10;  // 全局变量  全局作用域
 
 int main()
 {
     int a = 20;  // 局部变量  函数作用域
     
     printf("%d\n", a); // 20 就近原则
     
     for (int a = 0; a < 5; a++)  // 局部变量 块作用域
     {
         printf("%d", a); // 0 1 2 3 4  就近原则
     }
     
     printf("%d\n",a);  // 20 就近原则
 }

变量的生命周期

定义

概念： 变量在程序运行中的存在时间（内存申请到内存释放的时间）

根据变量存在的时间不同，变量可分为静态存储方式和动态存储方式

变量的存储类型

语法：

 变量的完整定义格式： [存储类型] 数据类型 变量列表;

存储类型：

• auto

  auto存储类型只能修饰局部变量，被auto修饰的局部变量是存储在动态存储区（栈区和堆区）的。auto也是局部变量默认的存储类型。

   int main()
   {
       int a;
       int b;
       // 以下写法等价于上面写法
       auto int a;
       auto int b;
       
       int a,b;
       // 以下写法等价于上面写法
       auto int a,b;
   }
  

• static

  修饰局部变量： 局部变量会被存储在静态存储区。局部变量的生命周期被延长。但是作用域不发生改变，不推荐

  修饰全局变量： 全局变量的生命周期不变，但是作用域衰减，一般限制全局变量只能在本源文件内访问，其他文件不可访问。

  修饰函数： 被static修饰的函数，只能被当前文件访问,其他引用该文件的文件是无法访问的,有点类似于java中private

• extern

  外部存储类型：只能修饰全局变量，此全局变量可以被其他文件访问，相当于扩展了全局变量的作用域。

  extern修饰外部变量，往往是外部变量进行声明，声明该变量是在外部文件中定义的。起到一个标识作用。函数同理。

  demo01.c

   #include "demo01.h"
   
   int fun_a = 10;
   int fun1(){..}
  

  demo02.c

   #include "demo01.h"
   
   // 声明访问的外部文件的变量
   extern int fun_a;
   // 声明访问的外部文件的函数
   extern int fun1();
       
   int fun2();
  

• register

  寄存器存储类型：只能修饰局部变量，用register修饰的局部变量会直接存储到CPU的寄存器中，往往将循环变量设置为寄存器存储类型（提高读的效率）

   for (register int i = 0; i < 10; i++)
   {
       ...
   }
  

面试题

static关键字的作用

1. static修饰局部变量，延长其生命周期，但不影响局部变量的作用域。
2. static修饰全局变量，不影响全局变量的生命周期，会限制全局变量的作用域仅限本文件内使用(私有化)；
3. static修饰函数：此函数就称为内部函数，仅限本文件内调用（私有化）。static int funa(){..}

内部函数和外部函数

• 内部函数：使用static修饰的函数，称作内部函数，内部函数只能在当前文件中调用。
• 外部函数：使用extern修饰的函数，称作外部函数，extern是默认的，可以不写（区分编译环境），也就是说本质上我们所写的函数基本上都是外部函数，建议外部函数在被其他文件调用的时候，在其他文件中声明的时候，加上extern关键字，主要是提高代码的可读性。