函數

函數是打造高復用程式的核心。好的函數規劃可以使程式簡潔、易於測試，並讓邏輯像樂高積木一樣好維護。

什麼是函數

你可以把函數想像成工廠裡的「專業員工」。

• 輸入 (Input)：你交給員工的材料（參數）。
• 處理 (Process)：員工根據專業知識進行運算。
• 輸出 (Output)：員工交回給你的成品（回傳值）。

純函數

在函數式程式設計（Functional Programming）中，有一種哲學是「函數不應有副作用」。這意味著相同的輸入永遠會得到相同的輸出，這能極大地減少程式在橫向擴充時的 Bug。

函數宣告與定義

在 C 語言中，編譯器是「由上而下」閱讀程式碼的。如果你在函數還沒出現前就呼叫它，編譯器會報錯。

Forward Declaration (前置宣告)

有時兩個函數會互相呼叫、引用，如果直接定義會出錯，因此需要 foward declaration，先宣告，後定義的模式

Example

// 示意程式
void func1(){
    func2(); // func2 還沒有宣告，因此會 compile error
}
void func2(){
    func1();
}

void func2(); // forward declaration
void func1(){
    func2();
}
void func2(){
    func1();
}

參數

參數傳遞有很多種類別

• Pass by Value
• Pass by Reference
• Pass by Pointer

由於我們還沒介紹指標（Pointer），目前 C 語言的參數傳遞你可以理解為 「影印」。

• 當你把變數傳進函數時，函數拿到的是一份 副本。

• 你在函數裡對參數做的任何更改，都不會影響到原本的變數。

請注意不要傳遞太大的物件，這會很占用時間

遞迴

遞迴常見於各種程式中，能夠對複雜的任務進行拆解、簡化。它的核心概念是：「要解決這個大問題，我可以先解決一個縮小版的自己。」

經典範例: 取指數

int pow(int base, int times) {
    if (times == 0) return 1; // 終止條件：一定要有，否則會變成無窮遞迴
    return base * pow(base, times - 1); // 拆解任務
}

流程講解

如果我呼叫了 pow(3, 3)
首先會計算出 3 * pow(3, 2)
然後是 3 * (3 * pow(3, 1))
最後是 3 * (3 * (3 * pow(3, 0)))，pow(3, 0) 為 1，也就得到了3的3次方

雖然這個例子可以使用簡單的迴圈解決，但是在面對更複雜的情境時，迴圈無法如此簡潔的呈現

進階: Stack Frame 記憶體布局

在 C 中，這些函數呼叫都是儲存在 stack 裡面(包含 main)，在進行呼叫的時候，可以想像成在 stack 上多開了一塊區域(stack frame)，程式控制權轉移到這個地方，並在執行完後將控制權轉移回呼叫者的 frame。

而遞迴呼叫則會在一個 frame 上加一個又一個的 frame，但記憶體是有限的，因此這種疊疊樂不可能無限的進行，太多的話有可能發生 stack overflow。

運作範圍 (Scope)

Scope 在任何程式語言中都是很重要的概念，他保證了變數的「生命週期」與「取用限制」。在 C 語言中，Scope 主要以 大括號 {} 做劃分：

• 內部可以看到外部：大括號內可以使用外面定義的變數。

• 外部看不見內部：在大括號內宣告的變數，一旦出了大括號就會被銷毀（釋放記憶體）。

int k = 1;
for (int i = 0; i < n; i++) {
    printf("%d\n", k); // 可以找到 k
}
printf("%d\n", i); // i 已經隨著迴圈結束而消失了

遮蔽現象 (Shadowing)

如果在內部與外部使用了一樣的名稱，程式會優先選擇「最接近」的那一個。

int i = 1;
int main()
{
    int i = 2;
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
        printf("%d\n", i); // 2 2 2
    }
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("%d\n", i); // 0 1 2
    }
    return 0;
}

多檔案編譯時，不同的檔案都是一個獨立的 scope

靜態變數 (Static)

在函數中，一般的區域變數在函數執行完後就會「死掉」，下次呼叫時會重新出生。但如果你希望函數能記住上一次執行的狀態，就可以使用 static。

區域靜態變數

加上 static 後，該變數只會被初始化一次，並且在程式執行期間永遠存在。

void count_calls() {
    static int counter = 0; // 只在第一次呼叫時初始化
    counter++;
    printf("%d\n", counter);
}

int main() {
    count_calls(); // 1
    count_calls(); // 2
    count_calls(); // 3
}

進階：Static 變數存哪裡？

一般的區域變數存在 Stack (函數結束就回收)；但 static 變數存在 Data 段 (跟全域變數住在一起)。

全域靜態變數

當 static 用在「函數外面」或「函數名稱前面」時，它的意義會變成：「這個變數/函數只能在這個檔案內使用」，這會在後面多檔案編譯部份仔細說明。