C语言 | C语言的函数指针

函数指针是C语言指针中的一个分支：函数指针是指向函数地址的指针。和一般的指针一样，函数指针可以大大增强编程时的灵活性。这篇博文根据我的理解，简单介绍了自己对于函数指针的理解。

一、函数名的本质

在介绍函数指针之前，我们先来理解一下究竟什么是函数。以下一段代码定义了名为fun1()，接受int并返回int参数的函数：

int fun1(int x) {	// fun1是函数名
	return x + 1;	// 函数体
}

从一般的理解角度来看，fun1是函数的函数名。之所以要定义函数名，是因为在程序的其他位置要调用该函数时，可以直接使用这个别名。这种使用别名的方法和变量相似，但又不完全一样。对一个变量x而言，其意义如下：

x是内存单元0x20000000所对应的内存单元。此处x = 30，而x的地址&x = 0x20000000.

那么对一个函数而言，函数名又代表什么呢？假设之前的fun1函数在编译后被放置在0x08000200地址，则fun1对应的内存结构如下所示：

在这里，函数名代表一个记录了函数入口地址的存储单元的物理地址。可见，函数名的本质是地址。在编译阶段，函数名被转化成为对应的地址。在使用 xxxx() 函数调用的语法时，该地址被载入程序计数器PC，函数参数及当前现场被弹入堆栈。最后进行函数的实际跳转和执行。

二、函数指针是什么

对于一般变量而言，指针可以指向变量的地址，并修改变量的内容：

这里p是指向x的指针，（即p = &x）。此时p的内存单元所存储的是x单元的物理地址，通过 *p 解析地址之后就可以访问或修改x单元的内容。同样的，函数也有其对应的指针 – 函数指针。函数指针是一种特殊的指针，其指向的对象不是变量而是函数。函数指针指向目标函数的入口地址（首地址）。这里我们定义一个指向fun1函数的函数指针pf:

int fun1(int);		// fun1是一个(含int输入参数和int返回参数的)函数
int (*pf)(int);		// pf是(指向返回int型，含int参数函数的)函数指针
pf = &fun1;

/* 也可以直接写成： */
int (*pf)(int) = &fun1;

/* 如果需要调用函数指针对应的函数，可以写为：*/
(*pf)();		// 等价于fun1()

到这里，我们回顾上一节中说到的函数名。其实函数名也可以理解成为const型的函数指针。所以在c语言中，以下调用也是合法的：

(*fun1)()		// 等价于fun1()
pf = fun1		// 等价于pf = &fun1;
/* 但是fun1的值不能被修改 */
fun1 = fun2		// 错误！fun1是const类型的指针

函数指针的声明较为冗长，如果需要定义多个同类型的函数指针。可以通过typedef定义一个函数指针类型，从而进行简化：

typedef int (*PF)(int); // 声明PF是一个函数指针类型
PF pf1 = fun1;
PF pf2 = fun2;

三、函数指针的应用场景

以上说明了如何定义函数指针，下面介绍函数指针的应用场景。函数指针最常见的应用还是作为回调函数的参数。一般在事件驱动的程序框架中，当对应事件发生时，需要触发对应的处理函数。以下代码实现了在初始化阶段，将事件与对应的处理函数关联（假设set_event_callback()是实现该功能的系统函数）：

typedef int (*CALLBACK)(int);

#define EVENT_1		(0x01)
#define EVENT_2		(0x02)

int set_event_callback(const int e, CALLBACK);

void init_callbacks() {
	CALLBACK pf1, pf2;
	set_event_callback(EVENT_1, pf1);
	set_event_callback(EVENT_2, pf2);
}

在set_event_callback中，函数指针pf作为参数传递给函数使用。在基于事件编程的框架中（如一般的GUI库），函数指针经常以作为回调函数的方式出现。函数指针的另一个应用就是，根据当前程序进程的不同，要在不同条件下调用不同的处理函数：

void change_function(int nEvent, PF *ppf) {

	switch (nEvent) {
		case 0: 
			*ppf = fun1;
			break;
		case 1: 
			*ppf = fun2;
			break;
		default:
			*ppf = fun3;
	}
}

这里利用了函数指针指向的函数是可以改变的（而非函数名是const型的）。change_function() 将函数指针的地址（指向函数指针的指针）作为参数传入，并根据当前nEvent的情况更改原函数指针指向的函数。

函数指针的另一个应用场景，是允许程序在只知道函数物理地址（但不知道具体的函数名）的情况下进行函数跳转。相信大家都还记得这个经典的C语言面试题：

(*(void(*)(void))0)();
// 或
((void(*)(void))0)();

此语句的本质就是将0内存位置强制转换成为了函数指针，并调用了该函数指针指向的函数。以下代码解释了此处是如何将0地址转换成函数指针的：

typedef void (*PF)(void);

// (*(void(*)(void))0)() 等价于
(*(PF)0)()
// 或
((PF)0)()

函数指针的更高级用法就是组成函数指针数组，或和指向函数指针的指针配合使用。在此不再继续介绍，感兴趣的读者可自行研究。

参考资料

[1] Kenneth A.Reek, C和指针（第二版）, 2008, 人民邮电出版社

[2] Brian W. Kernighan / Dennis M. Ritchie, The C Programming Language (Second Edition), 1989, Prentice Hall

[3] C语言中文网，C语言函数名与函数指针详解，http://c.biancheng.net/cpp/html/496.html

作者

戴晓天

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Xiaotian DAI | Ph.D, M.IEEE, M.IET
机器人实践者
我相信未来是机器与人共生的世界。

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