Lekce 15 - Funkce v jazyce C++

V předešlém cvičení, Řešené úlohy k 12.-14. lekci C++, jsme si procvičili nabyté zkušenosti z předchozích lekcí.

Dnešní tutoriál o programovacím jazyce C++ je věnován velmi důležitému tématu, kterým je využívání funkcí. My jsme již seznámení s tím, že kód programu píšeme do funkce main(). To pro naše učební programy, které uměly vykonávat jen jednu jednoduchou věc, prozatím stačilo. Představte si ovšem, že píšete program, který je dlouhý několik set tisíc řádků. Určitě uznáte, že v takové nudli kódu v jednom souboru a v jedné funkci by se orientovalo velmi špatně. Navíc, pokud bychom chtěli provést nějakou stejnou posloupnost příkazů na více místech, museli bychom ji buď stále opisovat nebo v kódu skákat z místa na místo. Obě dvě možnosti jsou opět velmi nepřehledné.

Funkcionální dekompozice

O rozdělení aplikace do funkcí se někdy hovoří jako o tzv. funkcionální dekompozici. Nelekejte se termínu, jednoduše si rozmyslíme, co má naše aplikace umět, a pro různé uživatelské funkce obvykle vytvoříme jednotlivé funkce ve zdrojovém kódu. V praxi se nám bude často stávat, že si budeme tvořit kromě těchto funkcí ještě nějaké pomocné, např. můžeme mít funkci pro výpis menu aplikace nebo rozdělíme nějaký složitý výpočet do více menších funkcí kvůli přehlednosti.

Funkcím se někdy říká podprogramy nebo subrutiny. Pokud funkce nevrací žádnou hodnotu (viz dále), může se ji v některých jazycích říkat procedura. U větších aplikací, které mají mnoho funkcí, se funkce sdružují do tzv. modulů. Ty vy dobře znáte např. v podobě #include <iostream>, kterým načítáme knihovnu (modul) pro práci se standardním vstupem a výstupem (tedy pro nás s konzolí). Podobně jsou matematické funkce soustředěné v systémovém modulu cmath. Tyto moduly nebo-li knihovny se také naučíme vytvářet.

Tvorba funkcí

Funkce je logický blok kódu, který jednou napíšeme a poté jej můžeme libovolně volat bez toho, abychom ho psali znovu a opakovali se. Funkci deklarujeme v globálním prostoru, někde nad funkcí main(). Bude vypadat podobně. Přidejme do našeho zdrojového kódu funkci, která do konzole vypíše "Ahoj, vřele tě tu vítám!". Pro názornost si poprvé uveďme kompletní zdrojový kód programu:

#include <iostream>
using namespace std;

void pozdrav()
{
    cout << "Ahoj, vrele te tu vitam!" << endl;
}

int main()
{
    return 0;
}

Klíčové slovo void v definici funkce označuje, že funkce nevrací žádnou hodnotu. Funkci nyní musíme zavolat, aby se spustila. Musíme to samozřejmě udělat až po tom, co ji deklarujeme, jinak by ji kompilátor neznal (proto jsme ji psali nad funkci main()). Do main() napíšeme tento řádek:

{CPP_IMPORTS}

void pozdrav()
{
    cout << "Ahoj, vrele te tu vitam!" << endl;
}

{CPP_MAIN_BLOCK}
pozdrav(); // zavolání funkce
{/CPP_MAIN_BLOCK}

Do konzole by se v tuto chvíli mělo vypsat Ahoj, vrele te tu vitam.

Funkce s parametry

Funkce může mít také libovolný počet vstupních parametrů (někdy se jim říká argumenty), které píšeme do závorky v její definici. Parametry ovlivňujeme chování funkce. Mějte situaci, kdy chceme pozdravit našeho uživatele podle jména. Rozšíříme tedy stávající funkci o parametr jmeno a ten poté přidáme s konkrétní hodnotou do volání funkce:

void pozdrav(string jmeno)
{
    cout << "Ahoj, vrele te tu vitam " << jmeno << endl;
}

Funkci v main() následně zavoláme takto:

{CPP_IMPORTS}

void pozdrav(string jmeno)
{
    cout << "Ahoj, vrele te tu vitam " << jmeno << endl;
}

{CPP_MAIN_BLOCK}
pozdrav("Karle"); // zavolání funkce
{/CPP_MAIN_BLOCK}

Kdybychom nyní chtěli pozdravit několik lidí, nemusíme otrocky psát znovu a znovu cout << "Ahoj, vrele..., stačí nám pouze vícekrát zavolat naší funkci:

{CPP_IMPORTS}

void pozdrav(string jmeno)
{
    cout << "Ahoj, vrele te tu vitam " << jmeno << endl;
}

{CPP_MAIN_BLOCK}
pozdrav("Karle");
pozdrav("Davide");
pozdrav("Marenko");
{/CPP_MAIN_BLOCK}

Výsledek:

Konzolová aplikace
Ahoj, vrele te tu vitam Karle
Ahoj, vrele te tu vitam Davide
Ahoj, vrele te tu vitam Marenko

Návratová hodnota funkce

Funkce může dále vracet nějakou hodnotu. Opusťme náš příklad s pozdravem a vytvořme tentokrát funkci, která nám spočítá obsah obdélníku. Tento obsah ovšem nebudeme chtít pouze vypsat, ale budeme ho chtít použít v dalších výpočtech. Proto výsledek funkce nevypíšeme, ale vrátíme jako návratovou hodnotu. Funkce může vracet právě jednu hodnotu pomocí příkazu return. Return kromě navrácení hodnoty funkci také okamžitě ukončí, další případné příkazy po něm se již neprovedou. Datový typ návratové hodnoty musíme uvést před definici funkce. Přidejte si do programu následující funkci:

int obsah_obdelniku(int sirka, int vyska)
{
    int vysledek = sirka * vyska;
    return vysledek;
}

V praxi by naše funkce samozřejmě počítala něco složitějšího, aby se nám ji vyplatilo vůbec programovat. V příkladu ale obdélník poslouží dobře. Funkce pojmenováváme malými písmeny, celými slovy a místo mezer používáme podtržítka. Ačkoli C++ samotné je plné zkrácenin, vy se jim vyhněte. Je totiž mnohem čitelnější funkce datum_narozeni() než datnar(), u které nemusí být na první pohled zřejmé co že to vůbec dělá.

Pokud bychom nyní chtěli vypsat obsah nějakého obdélníku, jednoduše vložíme volání funkce do volání cout. Jako první se spočítá obsah obdélníku, funkce tuto hodnotu vrátí a hodnota přijde jako vstupní parametr objektu cout, který ji vypíše. Jako šířku a výšku zadejme např. 10 a 20 cm:

{CPP_IMPORTS}

int obsah_obdelniku(int sirka, int vyska)
{
    int vysledek = sirka * vyska;
    return vysledek;
}

{CPP_MAIN_BLOCK}
cout << "Obsah obdelniku je: " << obsah_obdelniku(10, 20) << " cm^2" << endl;
{/CPP_MAIN_BLOCK}

Konzolová aplikace
Obsah obdelniku je 200 cm^2

Pokud vám to přijde zmatené, vždy můžete použít ještě pomocnou proměnnou:

{CPP_IMPORTS}

int obsah_obdelniku(int sirka, int vyska)
{
    int vysledek = sirka * vyska;
    return vysledek;
}

{CPP_MAIN_BLOCK}
int obsah = obsah_obdelniku(10, 20);
cout << "Obsah obdelniku je: " << obsah << " cm^2" << endl;
{/CPP_MAIN_BLOCK}

Návratovou hodnotu funkce jsme ovšem nepoužili kvůli tomu, abychom ji jen vypisovali. Využijme nyní toho, že je výpis na nás, a vypišme součet obsahů dvou obdélníků:

{CPP_IMPORTS}

int obsah_obdelniku(int sirka, int vyska)
{
    int vysledek = sirka * vyska;
    return vysledek;
}

{CPP_MAIN_BLOCK}
int celkovy_obsah = obsah_obdelniku(10, 20) + obsah_obdelniku(20, 40);
cout << "Soucet obsahu obdelniku je: " << celkovy_obsah << " cm^2" << endl;
{/CPP_MAIN_BLOCK}

Výsledek:

Konzolová aplikace
Soucet obsahu obdelniku je: 1000 cm^2

Vzpomeňme si na minulé příklady, které jsme během našeho seriálu vytvořili. Můžete si je zkusit přepsat tak, abyste volali funkci. V rámci návrhu by všechen kód měl být rozdělen do funkcí (a ideálně do modulů, viz. další lekce) a to zejména kvůli přehlednosti. My jsme to ze začátku kvůli jednoduchost zanedbali, nyní to prosím berte na vědomí

Výhoda funkcí je tedy v přehlednosti a úspornosti (můžeme napsat nějakou věc jednou a volat ji třeba stokrát na různých místech programu). Když se rozhodneme funkci změnit, provedeme změnu jen na jednom místě a tato změna se projeví všude, což značně snižuje riziko chyb. V příkladě, kde zdravíme Karla, Davida a Mařenku, nám stačí změnit text pozdravu ve funkci a změní se ve všech třech voláních. Nemít kód ve funkci, museli bychom přepisovat 3 věty a v nějaké bychom mohli udělat chybu.

Rekurze

Na konec si udělejme ještě odbočku k pokročilejšímu tématu, kterým je rekurze. Rekurzivní funkce je taková funkce, která v těle volá sama sebe. Taková funkce potřebuje nějakou informaci, podle které pozná, kdy má skončit (tzv. ukončení rekurze), jinak by zavolala sebe, ta zas sebe a tak až do pádu programu na nedostatek paměti. Rekurze se často používá v algoritmizaci.

Ve funkcionálních jazycích se rekurze používá namísto cyklů. Vezměme si například cyklus for, který sčítá čísla od 1 do 10. Stejného výsledku můžeme docílit i rekurzí, funkce se buď zavolá znovu s číslem o 1 vyšším nebo se ukončí.

int cyklus(int aktualni_index, int konecny_index, int suma)
{
    if (aktualni_index == konecny_index)
        return suma;
    return cyklus(aktualni_index + 1, konecny_index, suma + aktualni_index);
}

Funkci bychom zavolali takto:

{CPP_IMPORTS}

int cyklus(int aktualni_index, int konecny_index, int suma)
{
    if (aktualni_index == konecny_index)
        return suma;
    return cyklus(aktualni_index + 1, konecny_index, suma + aktualni_index);
}

{CPP_MAIN_BLOCK}
cout << cyklus(0,10,0) << endl; // začátek rekurze
{/CPP_MAIN_BLOCK}

To samé můžeme zapsat pomocí cyklu for:

{CPP_CONSOLE}
// ekvivalentní zápis s for
int suma = 0;
for (int a = 0; a < 10; a++)
    suma += a;
cout << suma;
{/CPP_CONSOLE}

Jak můžete vidět, čtení rekurze není tak snadné, jak je tomu u cyklu for. Aby toho nebylo málo, použití rekurze sebou nese dodatečnou zátěž, protože se musí opakovaně předávat parametry (více v článku o kompilaci). Obecně lze velkou část programů, které používají rekurzi, přepsat do podoby bez rekurze. Pro příklad si napíšeme program, který počítá faktoriál. Předvedeme si verzi s rekurzí a verzi bez rekurze.

int faktorial(int x)
{
        if (x == 1)
                return 1;
        return x * faktorial(x - 1);
}

A funkci bychom zavolali takto:

{CPP_IMPORTS}

int faktorial(int x)
{
        if (x == 1)
                return 1;
        return x * faktorial(x - 1);
}

{CPP_MAIN_BLOCK}
cout << faktorial(10) << endl;
{/CPP_MAIN_BLOCK}

A alternativa pomocí cyklu:

{CPP_CONSOLE}
int vysledek = 1;
int x = 10;
for (int i = 2; i <= x; i++)
        vysledek *= i;
cout << vysledek << endl;
{/CPP_CONSOLE}

S rekurzí se můžete často setkat v již existujících programech nebo na pohovorech do práce. Nicméně doporučuji rekurzi z důvodů výkonnostních spíše nepoužívat. Rekurze dokáže velice rychle zaplnit zásobník a ukončit celý program. Navíc je složitá na chápání, pokud vás zmátla, ještě se s ní setkáte minimálně u algoritmů, kde bude dostatek prostoru pro další pochopení.

V následujícím cvičení, Řešené úlohy k 15. lekci C++, si procvičíme nabyté zkušenosti z předchozích lekcí.