C语言函数指针的六个高级应用场景

回调函数

回调函数是指在某个事件发生时被调用的函数。通常,回调函数是在某个库函数或框架函数中注册的,当某个条件满足时,库函数或框架函数会调用回调函数来执行相应的操作。以下是一个示例:


#include "stdio.h"
void handle_event(int event_type, void (*callback)(void))
{
    printf("event %d occurred\n", event_type);
    if (callback)
    {
        callback();
    }
}
void callback_function()
{
    printf("callback function called\n");
}
int main()
{
    handle_event(1, callback_function);
    handle_event(2, NULL);
    return 0;
}

在上面的代码中,我们定义了一个 handle_event 函数,它接受两个参数:一个事件类型和一个函数指针。如果函数指针不为空,则会调用指定的函数。

在 main 函数中,我们分别调用 handle_event 函数来触发两个事件,其中第一个事件注册了一个回调函数 callback_function,第二个事件没有注册回调函数。

函数参数化

函数参数化是指通过函数指针将函数的某些行为参数化。这样,我们可以在调用函数时动态地指定函数的行为。以下是一个示例:


#include "stdio.h"

void process_array(int *array, size_t size, int (*process)(int))
{
    for(size_t i = 0; i < size; i++) {
        array[i] = process(array[i]);
    }
}

int increment(int n)
{
    return n + 1;
}

int main()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    size_t size = sizeof(array) / sizeof(int);
    process_array(array, size, increment);
    for (size_t i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

在上面的代码中,我们定义了一个 process_array 函数,它接受三个参数:一个整型数组、数组大小和一个函数指针。函数指针指向一个函数,该函数接受一个整型参数并返回一个整型结果。

在 process_array 函数中,我们将数组中的每个元素传递给指定的函数,然后将函数的返回值存储回原数组中。

在 main 函数中,我们定义了一个 increment 函数,它将传入的整数加 1。然后,我们调用 process_array 函数来处理整型数组,并打印出结果。

排序算法

排序算法是函数指针的另一个常见应用场景。通过传递不同的比较函数,我们可以在不同的排序算法中重用相同的代码。以下是一个示例:


#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

typedef int (*compare_func_t)(const void *, const void *);

void sort(int *array, size_t size, compare_func_t compare_func)
{
    qsort(array, size, sizeof(int), compare_func);
}

int compare_int(const void *a, const void *b)
{
    return (*(int *)a - *(int *)b);
}

int compare_reverse_int(const void *a, const void *b)
{
    return (*(int *)b - *(int *)a);
}

int main()
{
    int array[] = { 3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5 };
    size_t size = sizeof(array) / sizeof(int);
    sort(array, size, compare_int);
    for (size_t i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");
    sort(array, size, compare_reverse_int);
    for (size_t i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

在上面的代码中,我们定义了一个 sort 函数,它接受三个参数:一个整型数组、数组大小和一个比较函数指针。

比较函数指针指向一个函数,该函数接受两个指向常量 void 类型的指针,并返回一个整型结果。

在 sort 函数中,我们使用标准库函数 qsort 来对整型数组进行排序,其中比较函数指针由调用者传递。

在 main 函数中,我们定义了两个比较函数 compare_int 和 compare_reverse_int,分别用于升序和降序排序。然后,我们调用 sort 函数来对整型数组进行排序,并打印出结果。

函数指针数组

函数指针数组是指一个数组,其中的每个元素都是一个函数指针。这种数组可以用于实现一个分派表,根据输入参数的不同,动态地调用不同的函数。以下是一个示例:


#include "stdio.h"

void add(int a, int b)
{
    printf("%d + %d = %d\n", a, b, a + b);
}

void subtract(int a, int b)
{
    printf("%d - %d = %d\n", a, b, a - b);
}

void multiply(int a, int b)
{
    printf("%d * %d = %d\n", a, b, a * b);
}

void divide(int a, int b)
{
    if (b == 0) {
        printf("cannot divide by zero\n");
    }

    else {
        printf("%d / %d = %d\n", a, b, a / b);
    }
}

typedef void (*operation_func_t)(int, int);

int main()
{
    operation_func_t operations[] = { add, subtract, multiply, divide };
    size_t num_operations = sizeof(operations) / sizeof(operation_func_t);
    int a = 10, b = 5;
    for (size_t i = 0; i < num_operations; i++) {
        operations[i] (a, b);
    }
    return 0;
}

在上面的代码中,我们定义了四个函数 add、subtract、multiply 和 divide,分别对两个整数进行加、减、乘和除操作。

然后,我们定义了一个函数指针类型 operation_func_t,它指向一个接受两个整型参数并没有返回值的函数。

接着,我们定义了一个函数指针数组 operations,其中的每个元素都是一个 operation_func_t 类型的函数指针,分别指向 add、subtract、multiply 和 divide 函数。

在 main 函数中,我们使用 for 循环遍历 operations 数组,并依次调用每个函数指针所指向的函数。在每次调用函数之前,我们可以根据需要设置 a 和 b 的值。这样,我们就可以动态地选择要执行的操作。

函数指针与回溯法

回溯法是一种求解一些组合优化问题的算法,它通常使用递归来实现。函数指针可以用于实现回溯法算法的一些关键部分。

以下是一个使用回溯法来计算排列的示例:


#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

typedef void (*callback_func_t)(const int *, size_t);

void swap(int *a, int *b)
{
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

void permute(int *nums, size_t len, size_t depth, callback_func_t callback)
{
    if (depth == len) {
        callback(nums, len);
        return;
    }
    for (size_t i = depth; i < len; i++) {
        swap(&nums[depth], &nums[i]);
        permute(nums, len, depth + 1, callback);
        swap(&nums[depth], &nums[i]);
    }
}

void print_array(const int *arr, size_t len)
{
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}
}

int main()
{
    int nums[] = { 1, 2, 3 };
    permute(nums, sizeof(nums) / sizeof(int), 0, print_array);
    return 0;
}

在上面的代码中,我们定义了一个函数 permute,用于计算给定数组的排列。

在 permute 函数中,我们使用递归来生成所有可能的排列,并使用函数指针 callback 来指定每当我们生成一个排列时应该调用的函数。

在本例中,我们将 print_array 函数作为回调函数传递给了 permute 函数。这意味着每当 permute 函数生成一个排列时,它都会调用 print_array 函数来打印这个排列。

在 main 函数中,我们定义了一个包含三个整数的数组 nums,并使用 permute 函数来计算这个数组的所有排列。在每次生成一个排列时,permute 函数都会调用 print_array 函数来打印这个排列。

函数指针与多态

多态是面向对象编程中的一个重要概念,它允许我们在不知道对象类型的情况下调用相应的函数。虽然 C 语言不是面向对象编程语言,但我们仍然可以使用函数指针来实现多态。

以下是一个使用函数指针实现多态的示例:


#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

typedef struct shape {
    void (*draw)(struct shape *);
} shape_t;

typedef struct circle {
    shape_t shape;
    int x;
    int y;
    int r;
} circle_t;

typedef struct rectangle {
    shape_t shape;
    int x;
    int y;
    int w;
    int h;
} rectangle_t;

void circle_draw(shape_t * shape)
{
    circle_t *circle = (circle_t *) shape;
    printf("Drawing a circle at (%d, %d) with radius %d.\n", circle->x, circle->y, circle->r);
}

void rectangle_draw(shape_t * shape)
{
    rectangle_t *rectangle = (rectangle_t *) shape;
    printf("Drawing a rectangle at (%d, %d) with width %d and height %d.\n", rectangle->x, rectangle->y, rectangle->w,
           rectangle->h);
}

int main()
{
    circle_t circle = {
        .shape = {circle_draw},
        .x = 10,
        .y = 20,
        .r = 5,
    };
    rectangle_t rectangle = {
        .shape = {rectangle_draw},
        .x = 30,
        .y = 40,
        .w = 15,
        .h = 20,
    };
    shape_t *shapes[] = { (shape_t *) & circle, (shape_t *) & rectangle };
    for (size_t i = 0; i < sizeof(shapes) / sizeof(shape_t *); i++) {
        shapes[i]->draw(shapes[i]);
    }
    return 0;
}

在上面的代码中,我们定义了一个 shape 结构体,它有一个函数指针 draw,用于绘制该形状。

我们还定义了两个形状:circle 和 rectangle,它们分别包含它们自己的属性和一个指向 shape 结构体的指针。每个形状都定义了自己的 draw 函数,用于绘制该形状。

在 main 函数中,我们定义了一个 shape_t 类型的数组,其中包含一个 circle 和一个 rectangle。我们使用一个循环来遍历这个数组,并使用每个形状的 draw 函数来绘制该形状。

注意,尽管 shapes 数组中的元素类型为 shape_t *,但我们仍然可以调用每个元素的 draw 函数,因为 circle 和 rectangle 都是从 shape_t 派生出来的,它们都包含一个 draw 函数指针。

这个例子演示了如何使用函数指针来实现多态。尽管 C 语言不支持面向对象编程,但我们可以使用结构体和函数指针来实现类似的概念。

总结

函数指针是一种强大的工具,可以用于实现许多不同的编程模式和算法。

在本文中,我们介绍了函数指针的基本概念和语法,并提供了一些高级应用场景的代码示例,包括回调函数、函数指针数组、函数指针作为参数、函数指针与递归、函数指针与多态等。

使用函数指针可以帮助我们编写更加灵活和通用的代码,并提高代码的可重用性和可扩展性。