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编程基础

1.6. 函数的用法

如果需要经常做某一种操作，则类似的代码需要重复写很多遍。
比如在一个数组中查找某个数，第一次查找一个数，第二次可能查找另一个数，每查一个数，类似的代码都需要重写一遍，很罗唆。
另外，有一些复杂的操作，可能分为很多个步骤，如果都放在一起，则代码难以理解和维护。
计算机程序使用函数这个概念来解决这个问题，即使用函数来减少重复代码和分解复杂操作。

Java中的函数一般叫做方法

函数的主要组成部分有以下几种。
1）函数名字：名字是不可或缺的，表示函数的功能。
2）参数：参数有0个到多个，每个参数由参数的数据类型和参数名字组成。
3）操作：函数的具体操作代码。
4）返回值：函数可以没有返回值，如果没有返回值则类型写成void，如果有则在函数代码中必须使用return语句返回一个值，这个值的类型需要和声明的返回值类型一致。
5）修饰符：Java中函数有很多修饰符，分别表示不同的目的，本节假定修饰符为public static，且暂不讨论这些修饰符的目的。

程序执行基本上只有顺序执行、条件执行和循环执行，但更完整的描述应该包括函数的调用过程。

定义函数就是定义了一段有着明确功能的子程序，但定义函数本身不会执行任何代码，函数要被执行，需要被调用。

1.6.0 函数调用

调用函数需要传递参数并处理返回值。

  • 区别形参和变量

关于参数传递，简单总结一下，定义函数时声明参数，实际上就是定义变量，只是这些变量的值是未知的，调用函数时传递参数，实际上就是给函数中的变量赋值。

1.6.1 参数传递

有两类特殊类型的参数：数组和可变长度的参数。
可变长度参数实际上会转换为数组参数，也就是说，函数声明max(int min, int…a)实际上会转换为max(int min, int[] a)，在main函数调用max(0,2,4,5)的时候，实际上会转换为调用max(0, new int[]{2,4,5})，使用可变长度参数主要是简化了代码书写。

1.6.2 理解返回

强调下return的含义。函数返回值类型为void时，return不是必需的，在没有return的情况下，会执行到函数结尾自动返回。return用于显式结束函数执行，返回调用方。
函数返回值类型为void也可以使用return，即“return; ”，不用带值，含义是返回调用方，只是没有返回值而已。
return可以用于函数内的任意地方，可以在函数结尾，也可以在中间，可以在if语句内，可以在for循环内，用于提前结束函数执行，返回调用方。
函数的返回值最多只能有一个，那如果实际情况需要多个返回值呢？比如，计算一个整数数组中的最大的前三个数，需要返回三个结果。这个可以用数组作为返回值，在函数内创建一个包含三个元素的数组，然后将前三个结果赋给对应的数组元素。
如果实际情况需要的返回值是一种复合结果呢？比如，查找一个字符数组中所有重复出现的字符以及重复出现的次数。这个可以用对象作为返回值，我们在第3章介绍类和对象。虽然返回值最多只能有一个，但其实一个也够了。

1.6.3 重复的命名

每个函数都有一个名字，这个名字表示这个函数的意义。
名字可以重复吗？

  • 在不同的类里，答案是肯定的。在同一个类里，要看情况。
  • 同一个类里，函数可以重名，但是参数不能完全一样，即要么参数个数不同，要么参数个数相同但至少有一个参数类型不一样。

同一个类中函数名相同但参数不同的现象，一般称为函数重载。为什么需要函数重载呢？一般是因为函数想表达的意义是一样的，但参数个数或类型不一样。

1.6.4 调用的匹配过程

之前介绍函数调用的时候，我们没有特别说明参数的类型。这里说明一下，参数传递实际上是给参数赋值，调用者传递的数据需要与函数声明的参数类型是匹配的，但不要求完全一样。什么意思呢？Java编译器会自动进行类型转换，并寻找最匹配的函数，比如：
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参数是字符类型的，但Math并没有定义针对字符类型的max函数，这是因为char其实是一个整数（我们在2.4节会说明）, Java会自动将char转换为int，然后调用Math. max(int a, int b)，屏幕会输出整数结果98。
如果Math中没有定义针对int类型的max函数呢？调用也会成功，会调用long类型的max函数。如果long也没有呢？会调用float型的max函数。如果float也没有，会调用double型的。Java编译器会自动寻找最匹配的。

总结：在只有一个函数的情况下，即没有重载，只要可以进行类型转换，就会调用该函数，在有函数重载的情况下，会调用最匹配的函数。

1.6.5 递归函数

函数大部分情况下都是被别的函数调用的，但其实函数也可以调用它自己，调用自己的函数就叫递归函数。
递归函数形式上往往比较简单，但递归其实是有开销的，而且使用不当，可能会出现意外的结果，
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系统并不会给出任何结果，而会抛出异常。异常类型为java.lang.StackOverflowError，这是什么意思呢？这表示栈溢出错误，要理解这个错误，我们需要理解函数调用的实现原理，我们1.7节介绍。

那递归不可行的情况下怎么办呢？递归函数经常可以转换为非递归的形式，通过循环实现。
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1.7. 函数调用的基本原理

java.lang.StackOverflowError，理解这个错误，需要理解函数调用的实现机制。

1.7.1 栈的概念

程序执行的基本原理：CPU有一个指令指示器，指向下一条要执行的指令，要么顺序执行，要么进行跳转（条件跳转或无条件跳转）。
函数调用的基本原理：可以看作一个无条件跳转，跳转到对应函数的指令处开始执行，碰到return语句或者函数结尾的时候，再执行一次无条件跳转，跳转回调用方，执行调用函数后的下一条指令。
1）参数如何传递？
2）函数如何知道返回到什么地方？在if/else、for中，跳转的地址都是确定的，但函数自己并不知道会被谁调用，而且可能会被很多地方调用，它并不能提前知道执行结束后返回哪里。
3）函数结果如何传给调用方？

解决思路是使用内存来存放这些数据，存放这些数据的内存有一个相同的名字，叫栈。
栈一般是从高位地址向低位地址扩展，换句话说，栈底的内存地址是最高的，栈顶的是最低的。(字节理解)
计算机系统主要使用栈来存放函数调用过程中需要的数据，包括参数、返回地址，以及函数内定义的局部变量。
计算机系统就如何在栈中存放这些数据，调用者和函数如何协作做了约定。
返回值不太一样，它可能放在栈中，但它使用的栈和局部变量不完全一样，有的系统使用CPU内的一个存储器存储返回值，我们可以简单认为存在一个专门的返回值存储器。
main函数的相关数据放在栈的最下面，每调用一次函数，都会将相关函数的数据入栈，调用结束会出栈。
->StackOverflowError

1.7.2 函数执行的基本原理

示例

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当程序在main函数调用Sum.sum之前
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在程序执行到Sum.sum的函数内部，即第5行，准备返回之前
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【值传递】
在main函数调用Sum.sum时，首先将参数1和2入栈，然后将返回地址（也就是调用函数结束后要执行的指令地址）入栈，
接着跳转到sum函数，在sum函数内部，需要为局部变量c分配一个空间，而参数变量a和b则直接对应于入栈的数据1和2，在返回之前，返回值保存到了专门的返回值存储器中。
在调用return后，程序会跳转到栈中保存的返回地址，即main的下一条指令地址，而sum函数相关的数据会出栈
main的下一条指令是根据函数返回值给变量d赋值，返回值从专门的返回值存储器中获得。

1.7.3 数组和对象的内存分配

定义一个变量就会分配一块内存，但我们并没有具体谈什么时候分配内存，具体分配在哪里，什么时候释放内存。
从以上关于栈的描述我们可以看出，函数中的参数和函数内定义的变量，都分配在栈中，这些变量只有在函数被调用的时候才分配，而且在调用结束后就被释放了。但这个说法主要针对基本数据类型，接下来我们介绍数组和对象。
对于数组和对象类型，它们都有两块内存，一块存放实际的内容，一块存放实际内容的地址，实际的内容空间一般不是分配在栈上的，而是分配在堆中，但存放地址的空间是分配在栈上的。
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在程序执行到max函数的return语句之前
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对于数组arr，在栈中存放的是实际内容的地址0x1000，存放地址的栈空间会随着入栈分配，出栈释放，但存放实际内容的堆空间不受影响（但说堆空间完全不受影响是不正确的）。在这个例子中，当main函数执行结束，栈空间没有变量指向它的时候，Java系统会自动进行垃圾回收，从而释放这块空间。

1.7.4 递归调用的原理

通过栈的角度来理解一下递归函数的调用过程
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在执行factorial(3)之前
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注意，返回值存储器是没有值的
在执行factorial(2)之前
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栈的深度增加了，返回值存储器依然为空，就这样，每递归调用一次，栈的深度就增加一层，每次调用都会分配对应的参数和局部变量，也都会保存调用的返回地址
在执行factorial(2)，return之前
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这个时候，终于有返回值了，我们将factorial简写为f。f(0)的返回值为1; f(0)返回到f(1), f(1)执行1f(0)，结果也是1；然后返回到f(2), f(2)执行2f(1)，结果是2；接着返回到f(3), f(3)执行3f(2)，结果是6；然后返回到f(4)，执行4f(3)，结果是24。

1.7.5 小结

函数调用主要是通过栈来存储相关的数据，系统就函数调用者和函数如何使用栈做了约定，返回值可以简单认为是通过一个专门的返回值存储器存储的。
从函数调用的过程可以看出，调用是有成本的，每一次调用都需要分配额外的栈空间用于存储参数、局部变量以及返回地址，需要进行额外的入栈和出栈操作。
在递归调用的情况下，如果递归的次数比较多，这个成本是比较可观的，所以，如果程序可以比较容易地改为其他方式，应该考虑其他方式。
栈的空间不是无限的，一般正常调用都是没有问题的，但如果栈空间过深，系统就会抛出错误java.lang.StackOverflowError，即栈溢出。