Funcții (Subprograme) în C++

Funcțiile sunt un concept indispensabil în contextul programării. Ele sunt prezente în orice limbaj de programare și ne ajută să scriem cod modular, lizibil și ușor de întreținut. Rolul lor principal este de a ne scăpa de secvențele de cod repetitive, permițându-ne să le scriem în cadrul unei funcții, pe care să o apelăm de fiecare dată când avem nevoie de secvența respectivă de cod. În acest articol vom discuta despre funcții în C++. Funcțiile se mai numesc și subprograme, dar numai profesorii mai folosesc termenul ăsta.

De ce avem nevoie de funcții?

Să luăm drept exemplu problema 2 din articolul despre Algoritmul lui Euclid. În această problemă trebuie să calculăm suma a două fracții $a / b$ și $c / d$ Ziceam că pentru a evita să facem overflow la int, ar fi bine să procedăm așa:

1. Simplificăm prima fracție prin $\gcd(a, b)$
2. Simplificăm a doua fracție prin $\gcd(c, d)$
3. Calculăm $l = \lcm(b, d)$
4. Amplificăm prima fracție prin $l / b$
5. Amplificăm a doua fracție prin $l / d$
6. Adunăm numărătorii celor două fracții.
7. Simplificăm noua fracție $e / f$ prin $\gcd(e, f)$

În caz că nu ați citit articolul respectiv, deși vă recomand să o faceți, prin $\gcd$ mă refer la CMMDC, iar prin $\lcm$ la CMMMC.

Implementarea fără funcții

Observați câte CMMDC-uri trebuie să calculăm? Patru, dintre care unul vine de la un CMMMC. Dacă ar fi să rezolvăm problema fără funcții, codul va arăta cam așa:

int gcdAB = a, cpyB = b;
while (cpyB) {
    int r = gcdAB % cpyB;
    gcdAB = cpyB;
    cpyB = r;
}
a /= gcdAB;
b /= gcdAB;

int gcdCD = c, cpyD = d;
while (cpyD) {
    int r = gcdCD % cpyD;
    gcdCD = cpyD;
    cpyD = r;
}
c /= gcdCD;
d /= gcdCD;

int lcmBD = b, cpyD1 = d;
while (cpyD1) {
    int r = lcmBD % cpyD1;
    lcmBD = cpyD1;
    cpyD1 = r;
}
lcmBD = b * d / lcmBD;
a *= lcmBD / b;
c *= lcmBD / d;

int e = a + c;
int f = lcmBD;

int gcdEF = e, cpyF = f;
while (cpyF) {
    int r = gcdEF % cpyF;
    gcdEF = cpyF;
    cpyF = r;
}
e /= gcdEF;
f /= gcdEF;

cout << e << " / " << f << '\n';

Această implementare are o groază de dezavantaje:

• E mult mai lungă decât e nevoie.

• E predispusă la erori. Faptul că secvența cu Algoritmul lui Euclid este copiată de atâtea ori crește probabilitatea să înlocuiești greșit numele unei variabile. Și chiar dacă nu o copiezi efectiv, cu copy-paste, ci regândești algoritmul de fiecare dată, la un moment dat te plictisești din cauza rutinei și începi să scrii / în loc de %, scrii variabila greșită în condiția din while și așa mai departe.

• Oricum ai efectua copierea, vei irosi mult prea mult timp scriind cod în felul ăsta. Iar Algoritmul lui Euclid încă e simplu, dar puteam avea ceva mult mai complex în locul lui.

• Este foarte greu să modifici pe viitor secvența de cod pe care ai tot copiat-o. Poate că, dintr-un motiv sau altul, vrei să înlocuiești Algoritmul lui Euclid prin împărțiri repetate cu cel prin scăderi repetate. Va trebui să modifici codul în patru locuri.

• Că tot vorbeam de viitor, dacă vei reciti codul peste câteva zile, săptămâni sau luni, va fi foarte greu, dacă nu imposibil, să descifrezi ce naiba ai scris acolo.

Implementarea cu funcții

Ca să scăpăm de toate problemele astea, ne vin în ajutor funcțiile. O funcție este o secvență de instrucțiuni pe care, după ce o definim și îi dăm un nume, o putem apela de câte ori vrem în cadrul programului. De fiecare dată când o apelăm, îi dăm un set de variabile cu care să lucreze, aceste variabile numindu-se parametri. Eventual, după ce a terminat de procesat parametrii respectivi, funcția va returna o valoare.

În problema noastră, ne-ar fi util să definim o funcție gcd care primește ca parametri două numere întregi a și b, și le calculează CMMDC-ul:

int gcd(int a, int b) {
    while (b) {
        int r = a % b;
        a = b;
        b = r;
    }
    return a;
}

Voi vorbi despre sintaxă într-o clipă. După ce am definit funcția, o putem apela oriunde, de exemplu în cadrul lui main. Apropo, main este și ea o funcție. Deci, dacă folosim funcții, soluția problemei noastre va arăta așa:

#include <iostream>
using namespace std;

int gcd(int a, int b) {
    while (b) {
        int r = a % b;
        a = b;
        b = r;
    }
    return a;
}

int main() {
    int a, b, c, d; cin >> a >> b >> c >> d;
    int gcdAB = gcd(a, b); a /= gcdAB; b /= gcdAB;
    int gcdCD = gcd(c, d); c /= gcdCD; d /= gcdCD;
    int lcmBD = b * d / gcd(b, d);
    a *= lcmBD / b;
    c *= lcmBD / d;
    int e = a + c;
    int f = lcmBD;
    int gcdEF = gcd(e, f);
    e /= gcdEF;
    f /= gcdEF;
    cout << e << " / " << f << '\n';
    return 0;
}

Ar fi frumos să definim o funcție și pentru CMMMC. În general este util să definim funcții când lucrăm cu funcții matematice, precum CMMDC, CMMMC, modul, minim, maxim, putere, radical etc. Cum în noua funcție lcm vom avea nevoie de un apel la gcd, lcm va trebui definit după gcd:

#include <iostream>
using namespace std;

int gcd(int a, int b) {
    while (b) {
        int r = a % b;
        a = b;
        b = r;
    }
    return a;
}

int lcm(int a, int b) {
    return a * b / gcd(a, b);
}

int main() {
    int a, b, c, d; cin >> a >> b >> c >> d;
    int gcdAB = gcd(a, b); a /= gcdAB; b /= gcdAB;
    int gcdCD = gcd(c, d); c /= gcdCD; d /= gcdCD;
    int lcmBD = lcm(b, d);
    a *= lcmBD / b;
    c *= lcmBD / d;
    int e = a + c;
    int f = lcmBD;
    int gcdEF = gcd(e, f);
    e /= gcdEF;
    f /= gcdEF;
    cout << e << " / " << f << '\n';
    return 0;
}

Perfect. Acum că v-ați făcut o idee despre ce sunt funcțiile, să trecem la teorie.

Definirea unei funcții

În C++, sintaxa definirii unei funcții este:

tip nume(tipParam1 numeParam1, tipParam2 numeParam2, ..., tipParamN numeParamN) {
    instrucțiuni
}

Unde:

• tip este tipul de date al valorii returnate de funcție. În cazul în care funcția nu returnează nicio valoare, tipul va fi void.
• nume este numele funcției. Numele funcției este un identificator care trebuie să respecte aceleași reguli ca și numele unei variabile.
• tipParamI este tipul de date al parametrului i.
• numeParamI este numele parametrului i.
• n >= 0, adică funcția poate să nu aibă niciun parametru, cum este cazul lui main.

Prima linie, cea cu numele funcției și cu lista de parametri (numiți și argumente), se numește antetul funcției, iar block-ul de instrucțiuni delimitat de acolade se numește corpul funcției. Parametrii din cadrul antetului funcției se numesc parametri formali, iar cei din cadrul unui apel se numesc parametri efectivi. Li se mai zice actuali, dar asta cred că e o traducere proastă a termenului actual, care în engleză înseamnă efectiv. Oricum după ce terminați de învățat despre funcții nu mai aveți treabă cu termenii ăștia

Declararea unei funcții

Să considerăm următorul exemplu:

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a, b; cin >> a >> b;
    cout << a << " + " << b << " = " << sum(a, b) << '\n';
    return 0;
}

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

Puteți observa că am definit funcția sum după ce am apelat-o. Asta va produce o eroare de compilare, deoarece compilatorul evaluează sursa linie cu linie, iar când va ajunge la apelul respectiv, nu va ști ce structură are funcția sum, pentru că nu a fost încă definită. Dacă vrem neapărat, putem lăsa definiția funcției acolo, cu condiția să menționăm prototipul ei (adică să o declarăm) mai sus, înainte să o apelăm:

#include <iostream>
using namespace std;

int sum(int, int);

int main() {
    int a, b; cin >> a >> b;
    cout << a << " + " << b << " = " << sum(a, b) << '\n';
    return 0;
}

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

Acum compilatorul va ști că funcția sum primește doi parametri de tipul int și că returnează o valoare de tipul int. Instrucțiunile pe care le efectuează sunt mai puțin importante deocamdată. Compilatorul va afla care sunt acestea atunci când va da de definiția funcției. Sintaxa declarării unei funcții în C++ este:

tip nume(tipParam1, tipParam2, ..., tipParamN);

Dacă dorim, putem menționa și numele parametrilor pe lângă tipurile acestora, dar este inutil din moment ce compilatorul n-are nevoie de ele momentan.

Singurul caz în care chiar avem nevoie să declarăm funcții este cel în care folosim recursivitate indirectă, concept despre care voi discuta în alt articol.

Variabilele locale și parametrii formali

După cum am spus și în articolul despre variabile în C++, variabilele locale sunt cele declarate într-un block de cod, adică între { } (sau în antetul unui for). Ele sunt vizibile doar în cadrul acelui block, adică pot fi folosite doar de instrucțiunile din interiorul lui. În continuare, prin variabile locale ne vom referi doar la cele locale pentru o anumită funcție, adică la cele declarate direct în corpul funcției.

int MOD = 13; // variabilă globală

int sumaModuloMOD(int a, int b) {
    int s; // variabilă locală în sumaModuloMOD
    s = (a + b) % MOD;
    return s;
}

int main() {
    int a, b; // variabile locale în main
    cin >> a >> b;
    cout << sumaModuloMOD(a, b) << '\n';
    cout << s << '\n'; // s nu (mai) există
    return 0;
}

În definiția unei funcții putem folosi atât variabile globale, cât și variabile locale. Cele din urmă sunt inițializate automat cu valori random de pe stivă (la care ajungem acuși), așa că de cele mai multe ori va trebui să le inițializăm noi cu zero sau cu ce avem nevoie.

Parametrii formali se comportă exact ca niște variabile locale, fiind inițializați cu valorile transmise de apelul funcției. Deci, în funcția gcd de mai devreme nu e nevoie să facem copii variabilelor a și b, pentru că noi nu lucrăm direct cu variabilele din funcția de unde a fost apelat gcd, ci cu niște copii locale ale lor.

#include <iostream>
using namespace std;

int gcd(int a, int b) {
    while (b) {
        int r = a % b;
        a = b;
        b = r;
    }
    cout << a << '\n'; // 4
    return a;
}

int main() {
    int a = 20, b = 24;
    cout << gcd(a, b) << '\n';
    cout << a << '\n'; // 20
    return 0;
}

Instrucțiunea return

Când am terminat ce aveam de făcut în funcție și vrem să returnăm o anumită valoare, putem face asta scriind return val;. De exemplu, iată o funcție ce primește ca parametru un număr natural și verifică dacă acesta e prim, returnând true sau false în funcție de rezultat:

bool isPrime(int n) {
    bool ok = n > 1;
    for (int d = 2; d * d <= n; d++)
        if (n % d == 0) {
            ok = false;
            break;
        }
    return ok;
}

Totuși, nu ne obligă nimeni să dăm return abia la finalul funcției. O putem face și mai devreme, iar asta ne permite să scriem funcții mai concise și mai clare:

bool isPrime(int n) {
    for (int d = 2; d * d <= n; d++)
        if (n % d == 0)
            return false;
    return n >= 2;
}

Să luăm și un exemplu de funcție void, care nu returnează niciun rezultat. Poate vrem doar să afișăm dacă n este prim, nu să și returnăm true sau false:

void isPrime(int n) {
    bool ok = n > 1;
    for (int d = 2; d * d <= n; d++)
        if (n % d == 0) {
            ok = false;
            break;
        }
    cout << (ok ? "DA" : "NU");
}

După cum se poate observa, nu am scris nicăieri return, pentru că nu este nevoie. Totuși, ne-ar fi util să putem ieși din funcția void când vrem noi, ca să putem rescrie funcția într-o manieră asemănătoare cu cea de mai devreme. Ei bine, putem face asta pur și simplu scriind return;:

void isPrime(int n) {
    for (int d = 2; d * d <= n; d++)
        if (n % d == 0) {
            cout << "NU";
            return;
        }
    cout << (n >= 2 ? "DA" : "NU");
}

Cum funcționează un apel de funcție?

Când apelăm o funcție, acesteia i se alocă memorie pe stivă – o zonă de memorie specială, folosită de calculator pentru efectuarea apelurilor de funcții; după cum îi zice și numele, aceasta funcționează ca o stivă. Mai exact, se alocă memorie pentru parametrii formali, pentru variabilele locale și pentru adresa de revenire. Nu știu exact cum arată aceasta, dar ea îi indică calculatorului unde trebuie să se întoarcă în program după încheiera apelului. Apoi, se copiază valorile parametrilor efectivi în parametrii formali și se execută funcția.

După ce se iese din funcție, se eliberează zona de memorie din vârful stivei, alocată apelului curent, și execuția programului continuă din locul indicat de adresa de revenire. Atunci când se eliberează zona respectivă de memorie, rămân tot felul de „gunoaie” în locul ei, biții acesteia nefiind resetați la zero, probabil din motive de eficiență. Din cauza asta variabilele locale sunt inițializate implicit cu valori „random” de pe stivă.

Dacă încă nu vă este foarte clar cum sunt procesate apelurile de funcții, sau de ce acestea se comportă ca o stivă, sper că animația de mai jos vă va forma o imagine mai clară. Nu uitați că o puteți pune pe pauză oricând, dând click pe ea. Asta e valabil pentru toate animațiile de pe acest site.

Transmiterea parametrilor prin referință

Probabil că mulți dintre voi ați folosit măcar o dată funcția swap din STL. Aceasta primește ca parametri două variabile și le interschimbă. Haideți să programăm și noi funcția noastră mySwap, care să interschimbe doar variabile de tipul int:

#include <iostream>
using namespace std;

void mySwap(int a, int b) {
    int aux = a;
    a = b;
    b = aux;
}

int main() {
    int a = 1, b = 4;
    mySwap(a, b);
    cout << a << ' ' << b << '\n'; // 1 4
    return 0;
}

Dacă o veți testa, veți observa că n-are niciun efect – valorile variabilelor a și b din funcția main rămân aceleași. Asta pentru că, atunci când apelăm funcția mySwap, valorile parametrilor efectivi sunt copiate în cei formali. Astfel, orice modificări am aduce asupra lor, ele vor rămâne în funcția mySwap. Trebuie să avem acces la zona de memorie unde este stocată fiecare dintre cele două variabile.

Soluția C-style este să folosim pointeri. În loc să transmitem drept parametri valorile celor două variabile, le vom transmite adresele de memorie. Acum nu vom mai interschimba valorile a două variabile locale, ci valorile din zonele de memorie indicate de cei doi pointeri.

#include <iostream>
using namespace std;

void mySwap(int* a, int* b) {
    int aux = *a;
    *a = *b;
    *b = aux;
}

int main() {
    int a = 1, b = 4;
    mySwap(&a, &b);
    cout << a << ' ' << b << '\n'; // 4 1
    return 0;
}

Varianta asta e cam urâtă din punct de vedere sintactic, pentru că tot trebuie să folosim operatorii de referențiere (&) și de dereferențiere (*). De aceea, în C++ există o metodă mult mai ușor de utilizat, ce nu presupune decât să punem un ampersand (&) înaintea numelui parametrului ce dorim să fie transmis prin referință.

#include <iostream>
using namespace std;

void mySwap(int& a, int& b) {
    int aux = a;
    a = b;
    b = aux;
}

int main() {
    int a = 1, b = 4;
    mySwap(a, b);
    cout << a << ' ' << b << '\n'; // 4 1
    return 0;
}

Totuși, e bine de știut că faza cu ampersand-ul nu e doar o regulă de sintaxă, cum cred cei mai mulți. Ampersand-ul marchează de fapt un tip de date (int&, char&, float& sunt tipuri de date). O variabilă de tipul tip& se comportă ca un pointer gata dereferențiat. Cu alte cuvinte, atunci când scriem int &a = b, putem spune că practic i-am dat variabilei a încă un nume (b), în sensul că, fie că lucrăm cu a, fie că lucrăm cu b, modificăm valoarea aceleași zone de memorie.

int a = 5;
int &b = a;
a++; cout << a << ' ' << b << '\n'; // 6 6
b++; cout << a << ' ' << b << '\n'; // 7 7

Transmiterea tablourilor ca parametri

Sintaxa pentru a transmite un vector drept parametru pentru o funcție este:

void f(int v[]) {
    ...
}

Dacă dorim, putem menționa dimensiunea maximă a vectorului, cum facem în cazul unei declarații obișnuite, dar este opțional:

void f(int v[100]) {
    ...
}

Evident, putem transmite ca parametri și tablouri multidimensionale. Regula este să specificăm lungimea fiecărei dimensiuni, eventual mai puțin a primeia – aceasta e singura opțională. Compilatorul trebuie să cunoască aceste lungimi pentru a ști cum să acceseze în memorie elementele tabloului. Mai multe detalii aici.

void f(int v1[], int v2[][300], int v3[][100][400]) {
    ...
}

Atunci când o funcție primește ca parametru un tablou, acesta este transmis automat prin referință. Și nici nu poate fi transmis altfel, din motive de eficiență. Deci, modificările efectuate asupra lui se vor păstra și după încheierea apelului.

Iată un exemplu practic de funcție ce folosește ca parametru un vector:

#include <iostream>
using namespace std;

void read(int& n, int v[]) {
    cin >> n;
    for (int i = 0; i < n; i++)
        cin >> v[i];
}

int main() {
    int n, v[100];
    read(n, v);
    return 0;
}

Mai sunt multe lucruri de spus despre funcțiile din C++ (supraîncărcare, variabile statice, parametri impliciți etc), dar nu se studiază la școală, așa că le păstrez pentru altă dată. Puteți pune în practică ce ați învățat în acest articol pe PbInfo. Dacă aveți vreo întrebare legată de funcții în C++, o puteți adresa mai jos, într-un comentariu