Funcions

Aquesta lliçó presenta les funcions. Una funció és un subprograma que, a partir de diverses entrades, en calcula un resultat. Ens podem imaginar una funció com una màquina que transforma entrades en sortides. Al contrari dels programes, les funcions habitualment no interaccionen directament amb l’usuari llegint les dades del canal d’entrada i/o escrivint els resultats corresponents pel canal de sortida.

Les funcions són un mecanisme fonamental per descompondre un programa en diferents subprogrames i, per tant, per solucionar un problema complex utilitzant solucions a problemes més senzills. Les funcions permeten escriure programes més llegibles i estructurats, i més fàcils de corregir i millorar. I, encara que en aquest curs bàsic no ho veurem, les funcions proporcionen també una manera de compartir codi entre diferents projectes.

Ús de funcions en llibreries

Suposem que volem calcular la distància entre dos punts del pla $p = (x_p, y_p)$ i $q = (x_q, y_q)$. Recordem que la seva distància euclídea és $\sqrt{(x_p-x_q)^2 + (y_p-y_q)^2}$. Considereu el programa següent:

#include <iostream>
#include <cmath>        // 👁
using namespace std;

int main() {
    double xp, yp, xq, yq;
    cin >> xp >> yp >> xq >> yq;
    cout << sqrt(pow(xp - xq, 2) + pow(yp - yq, 2)) << endl;    // 👁
}

Aquest programa presenta dues novetats:

  1. La directiva #include <cmath> permet utilitzar funcions de la llibreria matemàtica: potències, exponencials, logaritmes, funcions trigonomètriques… En teniu una referència a cmath.

  2. L’expressió que calcula la distància entre els dos punts fa servir dues funcions matemàtiques:

    • Primer, invoca pow() amb paràmetres x1 - x2 i 2.
    • Després, invoca pow() amb paràmetres y1 - y2 i 2.
    • Finalment, invoca sqrt() amb la suma dels dos resultats calculats anteriorment.

    La documentació de <cmath> estableix que, donats dos reals a i b, la funció pow(a, b) calcula a elevat a b. També, que donat un real positiu x, la funció sqrt(x) en calcula l’arrel quadrada.

Com veieu, les funcions s’usen de forma anàloga a les matemàtiques: amb el nom de la funció seguit dels seus paràmetres, entre parèntesis, i separats per comes. Els resultats de les funcions, en aquest cas nombres reals, poden ser usats després com qualsevol altre nombre real: per a nous càlculs, desant-los en variables, escrivint-los pel canal de sortida, …

Funció per calcular quadrats

A l’exemple anterior hem fet servir unes funcions predefinides del mòdul matemàtic. Però, moltes vegades, volem ser nosaltres mateixos qui definim les nostres funcions.

Per exemple, considerem l’expressió

sqrt(pow(xp - xq, 2) + pow(yp - yq, 2))

del programa anterior. La funció pow() és de caràcter general, i s’usa principalment quan el segon paràmetre és un nombre amb decimals; altrament, hi ha mètodes més eficients. En aquest cas, podríem fer senzillament

sqrt((xp - xq)*(xp - xq) + (yp - yq)*(yp - yq))

El resultat seria el mateix, i el programa seria (lleugerament) més ràpid. Però encara es pot fer millor. Podem definir i usar una funció per elevar un nombre al quadrat, de nom per exemple quadrat():

double quadrat(double a) {
    return a*a;
}

Aquesta definició té dues parts: la capçalera i el cos.

Val a dir que el nom a escollit per al paràmetre no és important. De la mateixa manera que $f(x) = x^2$ i $f(y) = y^2$ representen exactament les mateixes funcions matemàtiques, podríem haver definit la funció quadrat() amb un altre nom per al paràmetre:

double quadrat(double x) {
    return x*x;
}

Les dues definicions són idèntiques a tots els efectes.

En qualsevol cas, ara podem escriure l’expressió anterior que representa la distància entre dos punts així:

sqrt(quadrat(xp - xq) + quadrat(yp - yq))

Aquest codi és millor que els anteriors, encara que només sigui perquè és una mica més fàcil de llegir.

Si voleu, considerem un exemple més exagerat. Què preferiu, aquesta expressió

(3*x*y - 7*a*z + 23*y*y*z - 42*a*b*c*d - 108*x*z)*(3*x*y - 7*a*z + 23*y*y*z - 42*a*b*c*d - 108*x*z)

o aquesta?

quadrat(3*x*y - 7*a*z + 23*y*y*z - 42*a*b*c*d - 108*x*z)

A simple vista, podeu estar segurs que el contingut dels dos parèntesis de la primera expressió són idèntics? Fixeu-vos com de fàcil seria cometre un error tipogràfic i no adonar-vos-en. A més, quan us calgui modificar el codi (potser per corregir-ne algun error), segur que recordareu corregir les dues expressions? En informàtica en general, i en els programes en particular, les redundàncies són dolentes.

Finalment, vegem com s’organitzen les funcions dins del programa complet:

#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

double quadrat(double a) {
    return a*a;
}

int main() {
    double xp, yp, xq, yq;
    cin >> xp >> yp >> xq >> yq;
    cout << sqrt(quadrat(xp - xq) + quadrat(yp - yq)) << endl;
}

En C++, cal definir la funció quadrat() abans del main(), perquè des de la segona s’invoca la primera.

Funció per al màxim de dos enters

Considerem ara que volem escriure una funció per calcular el màxim de dos enters.

Primer comencem amb la capçalera, que també s’anomena declaració o interfície:

int max2(int a, int b)

Com ja sabem, aquesta capçalera indica que el resultat és de tipus enter, que la funció es diu max2, i que té dos paràmetres enters que anomenem a i b.

A continuació, en programem el cos:

int max2(int a, int b) {
    int m;
    if (a > b) m = a;
    else m = b;
    return m;
}

Fixeu-vos com el cos d’aquesta funció és molt semblant al d’un programa que calcula el màxim de dos enters i deixa el resultat en m però, en lloc d’escriure després aquesta m pel canal de sortida cout, la funció la retorna amb un return.

De fet, podem simplificar el cos una mica estalviant-nos la variable m amb dos return, un per a cada branca del condicional:

int max2(int a, int b) {
    if (a > b) return a;
    else return b;
}

Fins i tot podem eliminar l’else perquè, en trobar un return, la funció acaba la seva feina i lliura el resultat immediatament, sense continuar executant la resta de codi que tingui a continuació:

int max2(int a, int b) {
    if (a > b) return a;
    return b;
}

Aquest programa complet pot servir per provar la funció max2:

#include <iostream>
using namespace std;

int max2(int a, int b) {
    if (a > b) return a;
    return b;
}

int main() {
    int x, y;
    cin >> x >> y;
    cout << max2(x, y) << endl;
}

Funció per al màxim de tres enters

Ara volem fer una funció que, donats tres enters, diguem-ne a, b i c, en retorni el més gran. La seva capçalera pot ser

int max3(int a, int b, int c)

Per implementar el cos d’aquesta funció hi ha, bàsicament, dues solucions:

  1. La primera consisteix a fer una anàlisi per casos fent servir condicionals, i té moltes variacions possibles. Aquesta n’és una de prou senzilla:

     int max3(int a, int b, int c) {
         if (b > a) a = b;
         if (c > a) a = c;
         return a;
     }
    
  2. La segona, més astuta, consisteix a aprofitar que ja tenim escrita una funció max2() i que, per tant, la podem usar! Aquesta seria una manera possible:

     int max3(int a, int b, int c) {
         return max2(a, max2(b, c));
     }
    

    Com aquest codi demostra, una funció pot invocar una altra funció. No només això, la pot invocar dues o més vegades, i amb paràmetres diferents. Altrament dit, els subprogrames poden usar lliurement altres subprogrames.

    De fet, això ja ho havíem vist, perquè en un exemple anterior, el main(), que no deixa de ser una funció (una mica especial), usava la funció max2().

Malgrat que la primera solució no és excessivament complicada, la segona és encara més senzilla i, per tant, preferible. Dissenyar funcions que resolen tasques cada cop més complexes aprofitant funcions més simples és una excel·lent pràctica de disseny.

Insistim en un petit detall tècnic del llenguatge C++, que ja hem mencionat anteriorment: per tal que una funció f() pugui invocar una funció g(), cal que g() es defineixi abans que f(). Per això, la funció main() apareix sempre al final.

Per referència, aquest és el programa complet que llegeix tres enters i n’escriu el màxim utilitzant la funció max3() que, alhora, utilitza la funció max2():

#include <iostream>
using namespace std;

int max2(int a, int b) {
    if (a > b) return a;
    return b;
}

int max3(int a, int b, int c) {
    return max2(a, max2(b, c));
}

int main() {
    int a, b, c;
    cin >> a >> b >> c;
    cout << max3(a, b, c) << endl;
}

Sobrecàrrega

En C++, un mateix identificador de funció es pot referir a diferentes funcions. Per tal de saber a quina d’elles s’invoca, cal que el nombre i/o els tipus dels paràmetres siguin diferents. Aquesta característica s’anomena sobrecàrrega.

Així, no cal que la funció que calcula el màxim de dos enters es digui max2 i que la funció que calcula el màxim de tres enters es digui max3: Ambdues es poden dir, per exemple, max. Quan s’invoqui a max amb dos paràmetres s’utilitzarà la primera, i quan s’invoqui a max amb tres paràmetres s’utilitzarà la segona. Aquí ho teniu:

int max(int a, int b) {             // max2
    if (a > b) return a;
    return b;
}

int max(int a, int b, int c) {      // max3
    return max(a, max(b, c));       // usa max2 dos cops
}

int main() {
    int a, b, c;
    cin >> a >> b >> c;
    cout << max(a, b) << endl;      // usa max2
    cout << max(a, b, c) << endl;   // usa max3
}

L’exemple següent mostra que la sobrecàrrega també permet invocar a la funció adeqüada segons els tipus dels paràmetres tot creant dues funcions abs per calcular el valor absolut d’enters i de reals:

int abs(int x) {                    // valor absolut per als enters
    if (x < 0) return -x;
    return x;
}

double abs(double x) {              // valor absolut per als reals
    if (x > 0) return x;            // (codi diferent perquè quedi clar que no importa)
    return -x;
}

int main() {
    cout << abs(-666) << endl;      // invoca al valor absolut per als enters
    cout << abs(-2.4) << endl;      // invoca al valor absolut per als reals
}

La funció int main()

Segurament recordeu que a la primera lliçó de C++ havíem dit que el conjur 🧙 per escriure programes en C++ requeria posar les instruccions entre les claus de int main() {}. Doncs bé, main() no és altra cosa que una funció!

La funció main() (principal, en anglès) és la que el sistema operatiu invoca per posar en marxa el nostre programa. Des d’ella, és clar, es poden posar en marxa altres funcions.

La funció main() no té paràmetres (això no és del tot cert… però de moment deixem-ho així) perquè tota la comunicació amb l’entorn es fa mitjançant l’entrada/sortida.

La funció main() retorna un enter que el sistema operatiu interpreta com un codi de l’estat amb el qual ha acabat el programa: 0 sol indicar correcte, i qualsevol valor diferent de 0 un error. Per fortuna, la funció main és especial i no cal fer aquest return explícitament (per defecte, retorna 0).

Paràmetres formals i paràmetres reals

Ja heu vist que quan s’escriu la capçalera d’una funció, s’enumeren els seus paràmetres, tot donant el seu tipus i el seu nom. Aquests paràmetres es diuen paràmetres formals i serveixen per donar forma a la funció. Per exemple, a la funció següent,

int max(int a, int b) {...}

a i b són paràmetres formals. El cos de la funció utilitzarà a i b per referir-se als valors sobre els quals ha de treballar quan se la invoqui.

Justament, quan s’invoca a una funció, cal passar els valors necessaris que rebran els paràmetres formals. Aquests paràmetres que s’utilitzen al invocar una funció es diuen paràmetres reals (o arguments).

Per exemple, en l’expressió (max(10, x) + max(x, x + y)) / 2 hi ha dues invocacions a max. A la primera, els paràmetres formals són 10 i x; a la segona els paràmetres formals són x i x + y.

Al invocar una funció, el valor dels paràmetres reals es transmeten als paràmetres formals:

Fixeu-vos que els paràmetres formals són expressions que produeixen un valor (10 o x o x + y). En canvi, els paràmetres formals són noms de variables amb llur tipus.

Els paràmetres i les variables són locals

Considereu el programa següent, que és una variació d’algun dels anteriors:

#include <iostream>
using namespace std;

int max2(int a, int b) {
    int m;
    if (a > b) m = a;
    else m = b;
    return m;
}

int max3(int a, int b, int c) {
    int m = max2(b, c)
    return max2(a, m);
}

int main() {
    int a, b, c;
    cin >> a >> b >> c;
    cout << max3(a, b, c) << endl;
}

En aquest programa hi ha dues variables m, una dins de la funció max2() i una altra dins de la funció max3(). Malgrat que aquestes dues variables tenen el mateix nom, són dues variables distintes. És a dir, cada variable pertany a la funció dins la qual està definida. Diem que aquestes variables són variables locals.

La localitat de les variables és molt útil perquè, quan s’escriu una funció, no es vol haver de consultar els noms de variables que puguin haver-hi en altres funcions (que potser ni tan sols ha escrit el mateix programador!).

Els paràmetres també són locals: Els paràmetres a i b de max2() no tenen res a veure amb els paràmetres a i b de max3(). De fet, a la primera invocació de max2() a max3(), el valor de b de max3() es copia al paràmetre a de max2(), i el valor de c de max3() es copia al paràmetre b de max2(). I, a la segona invocació de max2() a max3(), el valor d’a de max3() es copia al paràmetre a de max2() (és una pura coïncidència que es diguin iguals) i el valor d’m de max3() es copia al paràmetre b de max2().

Igualment, el fet que les tres variables del main() es diguin a, b i c és només una coïncidència amb que els tres paràmetres de max3() també es diguin a, b i c.

De fet, no hi ha una sola variable m per a la funció max2(), sinó que n’hi haurà una diferent cada vegada que s’invoqui la funció. El sistema d’execució s’encarrega de mantenir totes aquestes variables mentre calen, i de reciclar-ne la memòria quan esdevenen innecessàries.

Si us costa una mica entendre aquesta secció, contineu i ja hi tornareu més endavant. Al cap i a la fi, el que cal saber és que tot està pensat perquè els noms de les variables i els paràmetres de les funcions no interefereixin entre si.

Errors freqüents

En aquesta secció comentarem dos errors freqüents que se solen cometre en començar a utilitzar funcions.


Fòrum







Lliçons.jutge.org
Jordi Petit, Salvador Roura
Universitat Politècnica de Catalunya, 2018

Prohibit copiar. Tots els drets reservats.
No copy allowed. All rights reserved.