奶奶都能看懂的 C++ —— 函数指针、decltype、类型别名和尾置返回

上一节我们讲了函数，这次来聊聊函数指针。

顾名思义，函数指针指的就是，指向函数的指针。也就是，指针解引用之后是一个可调用的函数。

先来看一段示例代码：

int addInt(int a, int b) {
    return a + b;
}
int main() {
    int (*pAddInt)(int, int);
    pAddInt = addInt;
    cout << pAddInt(3, 4) << endl; // 7
}

现在我们来仔细看看这段代码做了些什么。

声明函数指针

首先我们声明并定义了一个函数 addInt，它接受两个 int 类型的参数，然后返回它们的和。

然后我们来看今天的重点，main 函数。

1	`int (*pAddInt)(int, int);`

这就是我们所说的，函数指针的声明。

我们来看看为什么它是函数指针：

pAddInt 是这个变量的名称，我们从这里往外读
首先是括号，里面有一个 *，说明它是个指针
右侧的括号中有两个 int 类型，说明这是个参数列表
左侧的 int 表示一个返回值类型
因此，它是一个函数指针，可以指向一个函数，这个函数需要接受 2 个 int 类型的参数，并返回一个 int

正如我们在介绍指针时所提到的，指针所指向的内容是有类型限定的，由指针的类型决定。函数指针也是如此，你看，上面的代码已经明确了允许指向的函数的要求了。

其实，函数指针就是函数加个星号而已，声明和正常的指针没什么差异：

1 2	`int addInt(int, int); int (*pAddInt)(int, int);`

再提醒你一下，在 C++ 中，括号的优先级是比 * 更高的，因此，声明函数指针的时候，必须给星号加上括号。比如，下面的声明是错误的，会声明一个返回值为指向 int 类型的指针的函数，而非函数指针：

1	`int *pAddInt(int, int);`

是不是看到了指向数组指针的影子？是的，由于括号问题，它们呈现出相似的视觉效果。

好了，现在我们声明了一个函数指针，但问题是，这个指针现在没有指向任何东西，行为是未定义的。

赋值函数指针

我们来看下一行：

1	`pAddInt = addInt;`

这一行代码将函数指针 pAddInt 指向了一个实际的函数 addInt。

但是你或许注意到了一个问题——指针指向的是一个地址，但是为什么这里没有取地址呢？

首先我们明确一点，函数确实有一个地址，指针也正是指向了这个内存地址。指针本身存储了地址，是一个对象，但是函数并不是对象（也不能赋值给变量）。

然后我们再来看为什么没有取地址符号 & 这个问题。

其实你自己先试一下就会发现，加上这个符号也能通过编译，并正常运行：

1	`pAddInt = &addInt;`

这种灵活来自于 C++ 的退化性质，当一个表达式中存在函数名字的时候，这个函数会自动转换为函数指针。

是不是很耳熟？没错，这和数组是一个道理！还记得吗，我们在数组与指针这一节中，曾经提到过，数组在表达式中也会自动转换为指针，指向的是第一个元素。

函数也是类似，函数名字在表达式中自动转换为指向该函数的函数指针。因此，取地址符号是可以省略的。

调用函数指针

既然我们已经有了一个函数指针，是时候来看看怎么用了。

1	`cout << pAddInt(3, 4) << endl;`

看到了吗？我们正在调用函数指针，正如调用普通的函数一样。

我知道你要说什么。你肯定想这么干：

1	`cout << (*pAddInt)(3, 4) << endl;`

你自己试试就会发现无论是否解引用，表现都是一致的。

这是因为，编译器为你承担起了这一切——和自动退化相对称，解引用也并不是必须的，我愿称之为一组对称法则（提示，这不是官方说法，是我个人的总结）。

实际上，函数指针可以作为返回值和参数，就如通常的指针一样。但是，在继续讨论函数指针前，我们先来讲解几个好用的东西，然后再继续深入。

decltype

当我们涉及指针的时候，是不是发现声明语句越来越复杂了呢？一个变量的类型可能变得相当复杂：

int* addInt(int *a, int *b) {
    *a = *a + *b;
    return a;
}

要创建指向上面函数的指针，我们必须使用这种类型声明语句：

1	`int* (pAddInt)(int, int*);`

有没有什么简单的方法呢？当然，让我们隆重介绍 decltype！

看看这个：

1	`decltype(addInt) *pAddInt;`

decltype 可以把一个名字对应的类型，直接偷过来！我们这里偷来了 addInt 这个函数的类型（包括参数列表类型和返回值）。通常情况下，这样会声明一个新的函数，但由于我们加上了一个 *，所以我们现在声明的是函数指针。

一个非常重要的事情是，decltype 不发生退化，所以记得带上 *。decltype 只是负责推算里面表达式的类型而已，不会帮你转换。

因此，使用 decltype 可以极大简化代码编写流程，让我们免去书写指针的类型的麻烦。

注意这个当然不局限于函数指针，而是对于任何指针都是有效的！

比如，指向数组的指针：

1
2
3

int a[10];
decltype(a) *p;
int (*p2)[10];

第二、三行声明的指针，类型都是一样的，都是指向含有 10 个 int 的数组的指针哦。

类型别名

明白了 decltype 能够偷来类型，我们再来讲一个能够把类型起个别名的东西，类型别名。

类型别名，从名字上来看，就是用另外一个名字，替代原来的类型名字。

typedef

传统的类型别名使用方法是 typedef，比如：

1
2
3

typedef double d;
d num = 3.14;
cout << num << endl;

我们给 double 起了个别名叫做 d。

但这个太简单了，当类型变得非常复杂的时候，别名才会发挥出作用：

typedef double** d; // 指向指针的指针类型
typedef int arrType[10]; // 包含10个int的数组类型
typedef int (*arrType)[10]; // 一个指针类型，指向的是包含10个int的数组类型
typedef int *arrType[10]; // 包含10个指向int的指针的数组类型

你现在可能非常疑惑，为什么第一条和后面三条的语法看起来完全不一样（你看看，第一句的语法好像是 typedef 类型新的名字，但后面的语法完全不是这样）？换句话说，typedef 到底是如何工作的？

别被迷惑了，让我们先把 typedef 本身移除掉——

double** d; // 指向指针的指针类型
int arrType[10]; // 包含10个int的数组类型
int (*arrType)[10]; // 一个指针类型，指向的是包含10个int的数组类型
int *arrType[10]; // 包含10个指向int的指针的数组类型

现在你可以看出些端倪了：给类型取别名，和创建变量的本质没什么区别。

奶奶都知道可以这么创建变量：

double** dp;
int arr[10];
int (*arr)[10];
int *arr[10];

嗯？是不是发现了什么呢？语法完全一致。

也就是说，typedef 和创建变量的区别只有一个，就是前者创建的名字是一个可以直接使用的类型。

比如：

1 2	`d myd; arrType myArr; // 直接当作类型使用！`

好了，既然你已经知道如何创建类型别名，那么我们回到函数指针。同理，你可以这么创建函数指针类型：

1 2	`typedef int (funcPType)(int, int*); funcPType p1; // 这是一个函数指针`

这样可以节省大量时间。

using

在新版的 C++ 中，你可以用另一种方式创建类型别名：

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2
3

using d = double;
d d1 = 3.14;
cout << d1 << endl; // 3.14

这个 using 会把等号后面的类型，起别名，别名名字为等号前的内容。我们可以把上面的 typedef 全部转换为 using：

using d = double** ; // 指向指针的指针类型
using arrType = int[10]; // 包含10个int的数组类型
using arrType = int (*)[10]; // 一个指针类型，指向的是包含10个int的数组类型
using arrType = int*[10]; // 包含10个指向int的指针的数组类型

很简单吧？只是把名字前置了，相比 typedef，这种方式看起来更加方便。

当然，也别忘了我们的主角函数指针：

1	`using funcPType = int ()(int, int*);`

更强大的是，你可以把类型别名和 decltype 组合使用，避免写出复杂的类型：

1 2	`using funcType = decltype(func); // 现在，你给函数起了别名 funcType funcP = *funcType; // 根据函数别名，创建对应的函数指针`

传递函数指针

既然函数指针本身，是个指针，那么它就变成了一个对象，自然可以传递，就如其它指针一样。

作为参数传递

那这有什么用呢？其实，这样可以让同一个函数根据传入的函数指针，执行不同的操作。

比如，下面的代码，将运算的函数指针传入，然后调用函数执行自定义操作：

int sum(int a, int b) {
    return a + b;
}
int diff(int a, int b) {
    return abs(a - b);
}
using funcPType = decltype(sum)*;
int mathOperation(int a, int b, funcPType funcP) {
    return funcP(a, b);
}
int main() {
    int a = 3, b = 4;
    cout << mathOperation(a, b, sum) << endl; // 7
    cout << mathOperation(a, b, diff) << endl; // 1
}

花点时间好好理解一下上面的代码。

首先，写了两个执行算术操作的函数。

然后，我们创建了一个叫做 funcPType 的类型别名，它代表的类型是一个函数指针，指向接受 2 个 int 参数的返回 int 的函数。

之后，写了一个算术操作的函数，接受函数指针类型，在内部调用这个函数指针，执行相对应的操作。

最后写了 main 函数，两次传入不同的函数名字。函数名自动退化为函数指针，作为参数传入。你可以看到，我们的 a b 都没有变化，但是结果却不同。这正是因为传入了不同的函数指针导致的。

也就是说，函数指针可以把不同操作打包，交给其它部分操作。也就是，把行为作为数据传递。函数指针只记下了传入什么、返回什么，不关心实际执行了什么操作——也正因为如此，我们可以在需要函数指针的地方传入不同的函数，这极大地提升了我们程序的灵活性。

另外我要提醒你一点，不要给函数名字后面加上括号。这样会变成直接调用函数，传递的就是返回值了，会发生类型不匹配直接报错。我们要传递的，是会自动退化成函数指针的函数名字。

作为返回值

不止参数。函数指针也可以作为返回值。

来看看下面的示例代码（略去和上述相同的 sum 和 diff 函数）：

using funcPType = decltype(sum)*;
funcPType chooseOperation(char c) {
    if(c == '+') return sum;
    if(c == '-') return diff;
    return nullptr;
}
int main() {
    char c1 = '+';
    char c2 = '-';
    funcPType choice = chooseOperation(c1);
    cout << choice(1, 3) << endl; // 4
    choice = chooseOperation(c2);
    cout << choice(1, 3) << endl; // 2
}

仔细看看，我们的函数根据传入的参数不同，返回了不同的函数指针。返回的指针可以作为函数调用——在两条输出语句那里，我们用的是同一个函数指针名称，但是它们指向的是不同的函数，也就导致了不同的执行结果。

这是一个非常现实的例子，同样也是把行为作为数据传递的体现。掌握了这种写法，你就可以大大提升你的程序的灵活度。

此外，我们也可以不用类型别名，但是这会出现一些非常复杂的东西，我们在下面的尾置返回类型中，进行进一步的探讨。

尾置返回类型

关于函数指针我们说的够多了，现在我们再来补充一点 C++ 新版本的知识，尾置返回类型。

顾名思义，尾置返回类型允许我们把函数返回值的类型放在末尾。来看看这个：

auto chooseOperation(char c) -> funcPType {
    if(c == '+') return sum;
    if(c == '-') return diff;
    return nullptr;
}

这是上面的代码的另一种写法。原本用于声明函数返回类型的首位被 auto 代替了，真正的返回类型写在最后。

你可能在想，这不是多此一举吗？其实，只有当你不想用类型别名，但是却想返回函数指针（或任何复杂的类型，比如指向数组的指针）的时候，你会发现这大大被简化了：

int (*chooseOperation(char c))(int, int) // 一般情况
auto chooseOperation(char c) -> int(*)(int, int) // 尾置返回类型，这下看懂了
{
    if(c == '+') return sum;
    if(c == '-') return diff;
    return nullptr;
}