C++ 函數與變數等級

函數的優點

1. 模組化

• 函數將程式分割為獨立模組，每個模組負責特定任務。
• 提高程式可讀性、易於除錯和維護，問題排查只需聚焦特定函數。

2. 程式碼重用

• 定義一次函數，可在程式多處呼叫，避免重複編寫相同程式碼。
• 減少冗余，提高可讀性與可維護性。

3. 抽象化

• 將複雜操作封裝為簡單函數呼叫，隱藏實現細節。
• 提供清晰介面，降低程式複雜度。

4. 組織與結構化

• 按邏輯任務組織程式碼，增強可讀性與可擴展性。
• 透過參數與回傳值傳遞資料，提升靈活性。

函數宣告

1. 函數寫在主函數後

需在主函數前宣告函數原型（prototype），以告知編譯器函數的存在。

語法：

傳回值型態 函數名稱(引數型態1, 引數型態2, ...); // 函數原型

int main() {
    // 主函數內容
}

傳回值型態 函數名稱(引數型態1 引數1, 引數型態2 引數2, ...) {
    // 變數宣告
    // 語句主體
    return 運算式;
}

2. 函數寫在主函數前

無需額外宣告原型，直接定義函數。

語法：

傳回值型態 函數名稱(引數型態1 引數1, 引數型態2 引數2, ...) {
    // 變數宣告
    // 語句主體
    return 運算式;
}

int main() {
    // 主函數內容
}

回傳值

函數可返回變數、常數或運算式。

語法：

return 運算式; // 返回值
return;        // 無回傳值，適用於 void 函數

函數呼叫

1. 基本語法

變數 = 函數名稱(參數); // 有回傳值的函數
函數名稱(參數);         // 無回傳值的函數

2. 主函數呼叫其他函數

#include <iostream>
using namespace std;

void func1() {
    cout << "Function 1 called" << endl;
}

int main() {
    func1();
    return 0;
}

3. 函數間相互呼叫

函數可彼此呼叫，但需注意定義順序或使用原型。

正確範例（使用原型）：

#include <iostream>
using namespace std;

void func1(); // 函數原型
void func2();

void func1() {
    cout << "Function 1 called" << endl;
    func2();
}

void func2() {
    cout << "Function 2 called" << endl;
}

int main() {
    func1();
    return 0;
}

錯誤範例（順序錯誤）：

#include <iostream>
using namespace std;

void func1() {
    cout << "Function 1 called" << endl;
    func2(); // 錯誤：func2 未定義
}

void func2() {
    cout << "Function 2 called" << endl;
}

int main() {
    func1();
    return 0;
}

inline 函數

1. 功能

• inline 函數類似巨集，編譯器將函數程式碼直接嵌入呼叫處，提升執行效率。
• 適合短小、頻繁呼叫的函數。

2. 定義格式

inline 傳回值型態 函數名稱(型態1 引數1, 型態2 引數2, ...) {
    // 語句主體
}

3. 編譯器忽略 inline 的情況

• 函數內容過於複雜。
• 函數包含遞迴呼叫。
• 編譯器不支援 inline。

範例：

#include <iostream>
using namespace std;

inline void print_star() {
    cout << "*************" << endl;
}

int main() {
    print_star();
    return 0;
}

變數等級

C++ 提供五種變數等級：auto、static auto、extern、static extern 和 register。

範例宣告：

auto int i;        // 區域整數變數
extern char ch;    // 外部字元變數
static float f;    // 靜態浮點數變數

1. 區域變數（Local Variable）

• 也稱為自動變數（automatic variable）。
• 宣告於函數或區塊內，使用堆疊（stack）儲存，屬於動態變數。
• 生命週期：區塊開始時創建，結束時銷毀。

範例：

void func() {
    int i;    // 區域變數，省略 auto
    char ch;  // 區域變數
}

生命週期範例：

#include <iostream>
using namespace std;

void func() {
    // cout << a; // 錯誤：a 未定義
    int a = 1;
    cout << "a=" << a << endl; // 可使用 a
}

int main() {
    func();
    // cout << a; // 錯誤：a 未定義
    return 0;
}

練習：觀察區域變數行為

#include <iostream>
using namespace std;

void func1() {
    int i = 10;
    cout << "in func1(), i=" << i << endl;
}

int main() {
    int i = 1;
    cout << "in main(), i=" << i << endl;
    func1();
    cout << "in main(), i=" << i << endl; // i 不受 func1 影響
    return 0;
}

2. 靜態區域變數

• 在編譯時分配固定記憶體，生命週期持續整個程式執行。
• 區塊結束後，值不會消失，保留至下次呼叫。

範例：

static int i;

練習：觀察靜態區域變數

#include <iostream>
using namespace std;

void func1() {
    static int i = 10;
    cout << "in func1(), i=" << i << endl;
    i += 10;
}

int main() {
    func1(); // i=10
    func1(); // i=20
    func1(); // i=30
    return 0;
}

3. 外部變數（External Variable）

• 也稱全域變數，宣告於函數外，作用範圍為整個程式。
• 可使用 extern 宣告，引用其他檔案或後續定義的變數。

範例：

#include <iostream>
using namespace std;

int a = 1; // 全域變數

void func1() {
    a += 5;
    cout << "in func1(), a=" << a << endl;
}

void func2() {
    a += 10;
    cout << "in func2(), a=" << a << endl;
}

int main() {
    func1();
    func2();
    cout << "in main(), a=" << a << endl;
    return 0;
}

注意：

• 全域變數若宣告於所有函數之前，可省略 extern。
• extern 宣告不可包含初始值。

錯誤範例：

void func1() {
    extern int a = 1; // 錯誤：extern 不可有初始值
    cout << "in func1(), a=" << a << endl;
}

練習：區域變數與全域變數優先級

#include <iostream>
using namespace std;

int a = 0; // 全域變數

void func1() {
    a += 5;
    cout << "in func1(), a=" << a << endl; // 使用全域變數
}

void func2() {
    a += 10;
    cout << "in func2(), a=" << a << endl; // 使用全域變數
}

int main() {
    int a = 1000; // 區域變數優先
    func1();
    func2();
    cout << "in main(), a=" << a << endl; // 使用區域變數
    return 0;
}

4. 靜態外部變數

• 限於單一程式檔案使用，無法被其他檔案引用。

範例：

#include <iostream>
using namespace std;

static int a;

void func1() {
    a = 10;
    if (a % 2 == 1) {
        cout << "is odd" << endl;
    } else {
        cout << "is even" << endl;
    }
}

int main() {
    func1();
    cout << "a=" << a << endl;
    return 0;
}

5. 暫存器變數

• 使用 CPU 暫存器儲存，提升存取速度。
• 由編譯器決定是否實際使用暫存器，通常可省略 register 關鍵字。

範例：

register int i; // 建議編譯器使用暫存器

遞迴（Recursion）

1. 定義

遞迴函數是指函數呼叫自身，用於解決可分解為相似子問題的問題。

2. 原理

• 基本情況（Base Case）：終止遞迴的條件，直接返回結果。
• 遞迴呼叫（Recursive Call）：呼叫自身，處理較小規模的子問題。
• 問題分解：將大問題拆解為相似但規模較小的子問題。
• 問題組合：合併子問題的解以獲得最終結果。

注意：缺少基本情況可能導致無限遞迴，造成堆疊溢位（stack overflow）。

圖示：無限遞迴示意圖（來源：https://www.freecodecamp.org/news/content/images/2019/09/is-this-you-need-to-be-stopped-2.png）

3. 範例：階乘

計算 n!（n 的階乘）是遞迴的經典範例。

正確範例：

#include <iostream>
using namespace std;

int fact(int a) {
    if (a <= 1) { // 基本情況
        return 1;
    }
    return a * fact(a - 1); // 遞迴呼叫
}

int main() {
    int a;
    do {
        cout << "輸入整數：";
        cin >> a;
    } while (a <= 0);
    cout << "1*2*...*" << a << "=" << fact(a) << endl;
    return 0;
}

錯誤範例（原範例問題）：

• 原範例 fact(a * fact(a-1)) 語法錯誤，正確應為 a * fact(a-1)。
• 無明確基本情況，可能導致無限遞迴。