學習目標

  • 理解函式的三要素：定義（definition）、宣告/原型（prototype）、呼叫（call）。
  • 掌握參數傳遞的核心規則：C 一律傳值呼叫（call by value）。
  • 會寫有回傳值的函式與 void 函式，理解 return 的語意。
  • 重現 K&R 的經典 power 函式，理解它示範的所有觀念。
  • 建立函式設計的基本素養：單一職責、好名字、小函式。

對照 K&R 章節

  • K&R §1.7 Functions（power 函式）
  • K&R §1.8 Arguments—Call by Value
  • K&R §4.1 Basics of Functions
  • K&R §4.2 Functions Returning Non-integers

觀念講解

1. 為什麼需要函式？

函式把「一段有名字的計算」封裝起來：寫一次、到處呼叫。好處：

  • 消除重複：同樣的邏輯不必複製貼上。
  • 隱藏細節：呼叫者只需知道「做什麼」，不必知道「怎麼做」。
  • 可獨立測試：小函式可以逐一驗證。

K&R 的比喻：有了函式，你可以站在別人的工作上，而不是每次從零開始。

2. 函式定義的解剖

/* 回傳型別  函式名(參數列) */
int power(int base, int n)
{
    int result = 1;                 /* 區域變數：只活在這次呼叫 */
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        result = result * base;
    }
    return result;                  /* 把值帶回給呼叫者 */
}
  • 回傳型別：函式算出來的值的型別；不回傳東西就寫 void。
  • 參數（parameters）：函式的「輸入」，每個參數都要寫型別。沒有參數寫 (void)。
  • return：結束函式並帶回值。void 函式可用 return;（不帶值）或執行到結尾自然結束。

3. 原型（prototype）：先宣告、後使用

C 由上往下編譯。若呼叫點在定義之前，必須先給編譯器「原型」：

int power(int base, int n);    /* 原型：只有簽名，分號結尾 */

int main(void)
{
    printf("%d\n", power(2, 10));   /* 編譯器靠原型檢查引數型別與個數 */
    return 0;
}

int power(int base, int n)     /* 定義：真正的實作 */
{
    ...
}
  • 原型讓編譯器能檢查呼叫是否正確（引數個數、型別），並自動做型別轉換。
  • 原型中參數名可省略（int power(int, int);），但寫上名字可讀性更好。
  • 多檔案專案中，原型集中放在 .h 標頭檔——這是之後單元的主題。

4. 傳值呼叫（Call by Value）——C 的鐵律

函式收到的是引數的「複本」。在函式內修改參數，完全不影響呼叫端：

void tryToChange(int x)
{
    x = 999;                   /* 改的是複本 */
}

int main(void)
{
    int a = 1;
    tryToChange(a);
    printf("%d\n", a);         /* 仍然是 1 */
    return 0;
}

K&R 指出這是優點：參數可以當成「已初始化好的區域變數」放心使用。 例如 power 可以直接消耗參數 n：

int power(int base, int n)
{
    int p;
    for (p = 1; n > 0; n--)    /* 直接把 n 減到 0，呼叫端不受影響 */
        p = p * base;
    return p;
}

想讓函式修改呼叫端的變數？要傳「位址」（指標）——這是高階單元的主題， 本單元先建立「預設拿不到、改不了」的正確直覺。

5. void 函式與提早 return

void print_banner(const char *title)
{
    if (title == NULL) {
        return;                /* 提早離開：守衛子句（guard clause） */
    }
    printf("=== %s ===\n", title);
}
  • void 函式做「動作」（印東西、改狀態）而不是算「值」。
  • 守衛子句讓「異常情況先離開」，主邏輯不必層層縮排。

6. 函式設計原則

原則 說明
單一職責 一個函式只做一件事。「計算」與「列印」分開寫
好名字 動詞開頭：compute_tax、print_report、is_prime（判斷式用 is/has 開頭）
短小 一個螢幕內能看完；超過就考慮拆分
參數少 超過 4~5 個參數是壞味道
回傳值明確 判斷函式回傳 0/1；可能失敗的函式用回傳值報錯

「單一職責」的實際判斷法：你能不能用一句話（不含「和」「並且」）描述這個函式？

7. 回傳非整數：為什麼原型特別重要（K&R §4.2）

double atof_like(const char *s);   /* 若沒有這行原型…… */

double x = atof_like("3.14");      /* ……舊式 C 會假設回傳 int，值會全毀 */

K&R 時代沒有原型的函式一律假設回傳 int，回傳 double 的函式會拿到垃圾值。 現代 C（C99 起）要求呼叫前必須看得到宣告——永遠先寫原型，這類 bug 就絕跡了。

範例程式

檔案 內容 編譯與執行
01_power_kr.c K&R 經典 power 函式：原型、定義、呼叫三件套，含「消耗參數」版本 cc -std=c11 -Wall -Wextra -o 01_power_kr 01_power_kr.c && ./01_power_kr
02_call_by_value.c 傳值呼叫實證：函式內改參數、swap 失敗示範、參數當區域變數 cc -std=c11 -Wall -Wextra -o 02_call_by_value 02_call_by_value.c && ./02_call_by_value
03_function_design.c 函式設計實戰：單一職責拆分、守衛子句、判斷函式、小工具函式組合 cc -std=c11 -Wall -Wextra -o 03_function_design 03_function_design.c && ./03_function_design

常見錯誤與陷阱

陷阱 1：呼叫點之前沒有原型

int main(void)
{
    double r = half(5);        /* C99 起：錯誤——隱式宣告已被移除 */
    ...
}
double half(int x) { return x / 2.0; }

修正：在檔案頂端加上 double half(int x);，或把定義移到 main 之前。

陷阱 2：以為函式能修改引數（swap 陷阱）

void swap(int a, int b)        /* 天真版 swap */
{
    int tmp = a; a = b; b = tmp;   /* 只交換了複本！ */
}

呼叫 swap(x, y) 之後 x、y 完全沒變。正確的 swap 需要指標（高階單元）。

陷阱 3：非 void 函式忘記 return

int max(int a, int b)
{
    if (a > b) {
        return a;
    }
    /* b >= a 時沒有 return：回傳值是垃圾，使用它是未定義行為 */
}

修正：確保每條路徑都有 return。-Wall 會警告 control reaches end of non-void function。

陷阱 4：回傳區域變數的位址

int *make_array(void)
{
    int arr[10];
    return arr;                /* 函式結束後 arr 就消失了：懸空指標 */
}

區域變數存活期只到函式結束。本單元先記住「不要回傳區域變數的位址」，原理在指標單元詳解。

陷阱 5：引數求值順序未定義

printf("%d %d\n", next_id(), next_id());   /* 哪個先被呼叫？沒有規定！ */

兩個引數都有副作用時，不同編譯器可能給出不同順序。修正：先存進具名變數再傳入。

練習題

  1. 基本題：寫 int square(int x) 與 int cube(int x)，印出 1~10 的平方與立方表。
  2. 溫度轉換函式化（K&R 習題 1-15）：把單元 05 的溫度對照表改寫成呼叫 double c_to_f(double c) 函式的版本。
  3. 判斷函式：寫 int is_even(int n)、int is_leap_year(int y)，用一組寫死的測試資料驗證，輸出格式為 is_leap_year(1900) = 0。
  4. 負指數的 power：K&R 的 power 不支援負指數。寫 double power_d(double base, int n)，讓 n < 0 時回傳 1 / base^(-n)，測試 power_d(2.0, -3) 是否為 0.125。
  5. 最大公因數：寫 int gcd(int a, int b)（輾轉相除法：gcd(a, b) = gcd(b, a % b)，b == 0 時答案是 a）。先寫迴圈版，行有餘力寫遞迴版。
  6. 挑戰題（重構練習）：找一段你以前寫的 30 行以上的 main，把它拆成至少三個「一句話說得清楚」的函式，比較拆分前後的可讀性。

延伸閱讀

  • K&R 2/e §1.7–1.8、§4.1–4.2；習題 1-15、4-1
  • 《The Practice of Programming》（Kernighan & Pike）第 1 章：風格與函式設計
  • 《Code Complete》第 7 章：高品質常式（routine）的特徵
  • 遞迴入門：K&R §4.10（本教程中階單元會深入）
  • 下一單元預告：陣列——一次管理一整排資料