函式指標（Function Pointers）

函式指標是 C 語言最強大也最容易令初學者卻步的特性之一。它讓「行為」本身變成可以傳遞、儲存、替換的資料， 是實作回呼（callback）、命令分派（dispatch table）、外掛架構（plugin）與泛型演算法（如 qsort）的基礎。 本單元以 K&R §5.11 的通用排序程式為主軸，完整介紹函式指標的語法與實務應用。

學習目標

• 理解「函式名稱在運算式中會退化為函式指標」的規則
• 能正確宣告、初始化、呼叫函式指標
• 能將函式指標作為參數傳遞，實作回呼（callback）機制
• 熟悉標準函式庫 qsort 的介面，能撰寫符合規格的比較函式
• 能使用函式指標陣列建立命令分派表（jump table / dispatch table）
• 會用 typedef 簡化函式指標型別，提高可讀性

對照章節 / 參考來源

• K&R《The C Programming Language, 2nd Edition》§5.11 Pointers to Functions（通用排序程式）
• K&R §5.12 Complicated Declarations（複雜宣告，詳見下一單元）
• C11 標準 §6.3.2.1（函式指定子的轉換）、§7.22.5.2（qsort）
• man 3 qsort

觀念講解

1. 函式指標的宣告與基本語法

函式也佔據記憶體（程式碼段），因此可以有位址。指向「接收兩個 int、回傳 int 的函式」的指標宣告如下：

int (*fp)(int, int);        /* fp 是函式指標 */

注意括號不可省略：

int *fp(int, int);          /* 這是「回傳 int* 的函式」的宣告，不是指標！ */
int (*fp)(int, int);        /* 這才是「指向函式的指標」 */

指派與呼叫：

int add(int a, int b) { return a + b; }

int (*fp)(int, int) = add;   /* 函式名稱自動轉成位址，&add 亦可 */
int r1 = fp(3, 4);           /* 直接呼叫（現代慣用寫法） */
int r2 = (*fp)(3, 4);        /* 先解參考再呼叫（K&R 傳統寫法），效果相同 */

add、&add、*add、**add 在運算式中通通等價——因為函式名稱退化為指標後， 對函式指標解參考又得到函式指定子，再退化回指標，如此循環。這是 C 的特殊規則。

2. 函式指標作為參數：回呼（callback）

把函式指標傳入另一個函式，讓「呼叫者決定部分行為」，這種模式稱為回呼：

/* 對陣列每個元素套用 f，將行為參數化 */
void map_int(int *a, int n, int (*f)(int))
{
    for (int i = 0; i < n; i++)
        a[i] = f(a[i]);
}

呼叫端可以傳入 square、negate、double_it 等不同函式，map_int 本身完全不需修改。 這就是「策略模式」在 C 語言的原生實現，也是事件驅動程式（GUI、網路伺服器）的核心機制。

3. qsort 與比較函式（K&R §5.11 的現代版）

K&R §5.11 自己寫了一個通用 qsort；現代 C 直接用 <stdlib.h> 提供的版本：

void qsort(void *base, size_t nmemb, size_t size,
           int (*compar)(const void *, const void *));

比較函式收到的是「指向元素的 const void*」，必須自己轉型回真正的型別：

int cmp_int(const void *a, const void *b)
{
    int x = *(const int *)a, y = *(const int *)b;
    return (x > y) - (x < y);   /* 避免 x - y 溢位的慣用寫法 */
}

注意：排序字串陣列（char *arr[]）時，比較函式收到的是 char **， 需要寫成 *(char *const *)a，這是最常見的 qsort 誤用點。

4. 函式指標陣列：命令分派表

把多個「同型別」的函式指標放進陣列，用索引或查表選擇要執行的函式， 可以取代冗長的 switch，且新增功能只需在表裡加一列：

typedef int (*op_fn)(int, int);

struct command {
    const char *name;
    op_fn       fn;
};

struct command table[] = {
    { "add", op_add },
    { "sub", op_sub },
    { "mul", op_mul },
};

實務應用：直譯器的位元組碼分派、shell 內建命令、選單系統、狀態機的狀態轉移表。

5. typedef 簡化函式指標型別

沒有 typedef 時，「回傳函式指標的函式」宣告非常難讀：

int (*get_op(char c))(int, int);          /* 天書 */

用 typedef 之後：

typedef int (*op_fn)(int, int);
op_fn get_op(char c);                     /* 一目了然 */

建議：專案中只要函式指標出現超過一次，就應該 typedef。命名慣例常用 _fn、_cb、_handler 結尾。

6. 函式指標與資料指標的差異

• 標準不保證函式指標可以與 void * 互轉（POSIX 的 dlsym 是例外，實務上多數平台可行）。
• 函式指標之間可以互相轉型，但用「不相容的型別」呼叫是未定義行為（UB）。
• 比較函式指標是否相等（==、!=）是合法的；比大小則不合法。

範例程式

檔案	內容	編譯 / 執行
01_basics.c	宣告、初始化、兩種呼叫語法、等價性示範、typedef	cc -std=c11 -Wall -Wextra -o out 01_basics.c && ./out
02_callbacks.c	map/filter 回呼、qsort 排序整數/字串/結構、多鍵排序	cc -std=c11 -Wall -Wextra -o out 02_callbacks.c && ./out
03_dispatch_table.c	函式指標陣列、命令分派表實作簡易計算指令直譯器	cc -std=c11 -Wall -Wextra -o out 03_dispatch_table.c && ./out

所有程式都內建示範資料，直接執行即可看到輸出，不需要任何互動。

常見錯誤與陷阱

1. 括號放錯位置：int *f(int) 是函式宣告，int (*f)(int) 才是指標。編譯器對前者不會報錯， 直到你想指派位址給它才發現不對勁。
2. qsort 比較函式轉型錯誤：排序 char *arr[] 時把參數當 char * 用（實際是 char **）， 結果是比較指標值的位元組而非字串內容，排序結果看似隨機。
3. 比較函式用 x - y：兩個很大的 int 相減會 signed overflow（UB）。 正確寫法是 (x > y) - (x < y)。
4. 呼叫尚未初始化的函式指標：野指標呼叫直接跳到垃圾位址，通常是立即 crash（bus error / segfault）， 宣告時務必初始化為具名函式或 NULL 並在呼叫前檢查。
5. 簽名不相容仍強制轉型呼叫：例如把 int f(void) 轉成 int (*)(int) 再呼叫是 UB， 在某些 ABI 上恰好可動，換平台就爆炸。

練習題

1. 【易】寫一個 int apply(int x, int (*f)(int))，並用它套用 abs、平方、加一等三種函式。
2. 【易】用 qsort 將 double 陣列由大到小排序（注意浮點數比較不能用相減）。
3. 【中】寫 void for_each(void *base, size_t n, size_t size, void (*visit)(void *))， 模仿 qsort 的泛型介面，對任意型別陣列的每個元素呼叫 visit。
4. 【中】為結構 struct student { char name[16]; int score; } 實作兩個比較函式： 先依分數遞減、同分依姓名字典序遞增，用單一 qsort 完成多鍵排序。
5. 【難】實作一個迷你「狀態機」：狀態以 enum 表示，轉移表為 state_fn table[N_STATES]，每個狀態函式回傳下一個狀態，主迴圈只有三行。
6. 【難】仿 K&R §5.11 自己實作泛型 my_qsort（用插入排序即可）， 介面與標準 qsort 完全相同，需以 char * 位移與 memcpy 做元素交換。

補充：效能與設計備忘

• 函式指標呼叫是「間接呼叫」，CPU 無法在編譯期確定目標， 分支預測器要多做工；熱路徑上的間接呼叫可能比直接呼叫慢， 但差距通常遠小於它換來的架構彈性——先量測再最佳化。
• 現代編譯器在看得到目標的情況下能把函式指標「去虛擬化」 （devirtualization）成直接呼叫甚至內聯。
• 回呼介面通常會多帶一個 void *user_data 參數（context pointer）， 讓呼叫端夾帶自己的狀態——標準的 qsort_r（BSD/GNU 擴充）就是為此而生。
• 命名慣例小結：型別以 _fn/_cb 結尾、表格用 const 靜態陣列、 查無指令回傳 NULL 並由呼叫端統一處理。

延伸閱讀

• K&R §5.11–5.12：通用排序與複雜宣告
• 《Expert C Programming》(Peter van der Linden) 第 3 章：解讀 C 宣告
• cppreference：Pointer declaration — Pointers to functions
• man 3 qsort、man 3 bsearch（同樣使用比較函式的二分搜尋）
• glibc 原始碼中 qsort 的實作（實際上是 merge sort / introsort 混合）