[面試攻略] 技術性考題：函數指標（Function Pointer）

函數指標（Function Pointer）是一個常見的技術面試題目，特別在C或C++相關的職位中，用來考驗你對程式設計中函數作為一等公民（first-class citizen）的理解，以及記憶體管理和程式控制流的掌握。

問題描述

1. 定義並使用函數指標。
2. 通過函數指標實現靈活的函數調用（例如，傳遞不同行為的函數）。
3. 解釋函數指標的用途或底層原理。

典型題目範例：

• 寫一個程式，使用函數指標來選擇性地執行加法或減法。
• 實現一個排序函數，通過函數指標傳入比較函數。
• 解釋函數指標與一般指標的區別。

範例需求： 給定兩個整數 a 和 b，以及一個操作（加法或減法），使用函數指標來執行指定的操作並返回結果。

解法

1. 定義函數指標：
2. • 在C中，函數指標的語法為：return_type (*pointer_name)(parameter_types)。 例如，指向一個接受兩個整數並返回整數的函數：int (*func_ptr)(int, int)。
2. 實現具體函數：
3. • 定義加法和減法函數，簽名一致。
3. 使用函數指標：
4. • 將函數位址賦值給函數指標。 通過函數指標呼叫函數。
4. 靈活選擇：
5. • 根據輸入選擇不同的函數指標。

程式碼（C語言）

以下是一個實現加法或減法選擇的範例：

#include <stdio.h>

// 定義加法和減法函數，簽名一致
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int subtract(int a, int b) {
    return a - b;
}

// 定義操作函數，使用函數指標
int operate(int a, int b, int (*func_ptr)(int, int)) {
    return func_ptr(a, b); // 通過函數指標呼叫
}

int main() {
    int a = 10, b = 5;
    
    // 定義函數指標並賦值
    int (*operation)(int, int);
    
    // 選擇加法
    operation = add;
    printf("Add: %d\n", operate(a, b, operation)); // 輸出 15
    
    // 選擇減法
    operation = subtract;
    printf("Subtract: %d\n", operate(a, b, operation)); // 輸出 5
    
    // 直接傳遞函數位址
    printf("Add (direct): %d\n", operate(a, b, add)); // 輸出 15
    
    return 0;
}

程式碼解釋

1. 函數定義：
2. • add 和 subtract 是兩個簡單的函數，接受兩個整數並返回結果。 它們的簽名必須與函數指標的簽名一致。
2. 函數指標：
3. • int (*func_ptr)(int, int) 定義了一個函數指標，指向返回 int 並接受兩個 int 參數的函數。 在 operate 函數中，func_ptr 用來呼叫傳入的函數。
3. 靈活調用：
4. • 在 main 中，通過將 add 或 subtract 的位址賦值給 operation，實現動態選擇。 也可以直接傳遞函數名（如 add），因為函數名在C中會自動轉換為函數位址。
4. 輸出：
5. • 程式展示如何通過函數指標執行不同操作。

時間與空間複雜度

• 時間複雜度：O(1)（函數指標的賦值和呼叫是常數時間操作）。
• 空間複雜度：O(1)（僅儲存一個函數指標，通常是固定大小，如8字節在64位系統上）。

函數指標的用途

面試中可能會問到函數指標的實際應用，這些是常見場景：

1. 回調函數（Callbacks）：
2. • 例如，在事件驅動程式設計中，註冊回調函數以響應事件。
2. 函數表（Function Table）：
3. • 實現動態分派，例如模擬物件導向的虛函數表。
3. 靈活的API設計：
4. • 允許用戶傳入自定義行為，例如C標準庫的 qsort 使用比較函數指標。
4. 模組化程式設計：
5. • 將不同功能解耦，通過函數指標動態選擇實現。

面試中的注意事項

1. 澄清語法：
2. • 函數指標的語法可能讓人困惑，面試時先寫出簽名並確認：

int (*func_ptr)(int, int); // 正確
int *func_ptr(int, int);   // 錯誤，這是返回 int* 的函數

1. • 注意括號的使用，*func_ptr 必須括起來以區分優先級。
1. 講解原理：
2. • 說明函數指標儲存的是函數的記憶體位址（程式碼段中的位址）。 提到函數名（如 add）在C中會自動轉為位址，因此 operation = add 等價於 operation = &add。 呼叫時，(*func_ptr)(a, b) 和 func_ptr(a, b) 都是合法的。
2. 邊界檢查：
3. • 檢查函數指標是否為空（if (func_ptr == NULL)），避免未定義行為。 確保傳入的函數簽名一致，否則編譯器可能報錯或導致運行時錯誤。
3. 進階討論：
4. • 如果面試官問到C++，提到函數指標與 std::function 或函數物件（functor）的區別： std::function 更靈活，支持lambda、成員函數等。 函數指標更輕量，但只能指向普通函數。 提到型別安全：C的函數指標缺乏型別檢查，C++中可用模板或 std::function 改善。
4. 乾淨程式碼：
5. • 使用有意義的變數名（如 operation 而不是 fp）。 註釋關鍵步驟，特別是函數指標的定義和使用。 確保程式碼簡單且易於理解。

可能的追問

1. 如何實現一個回調系統？
2. • 定義一個函數指標陣列，儲存多個回調函數，根據事件觸發相應函數。
2. 函數指標與虛函數的比較？
3. • 函數指標是靜態綁定，虛函數是動態綁定（通過虛表實現）。 虛函數更適合物件導向，函數指標更通用但手動管理。
3. 如何處理多個參數或不同簽名？
4. • 使用 void* 傳遞上下文（需小心型別轉換）。 在C++中，使用模板或 std::function 處理不同簽名。
4. 性能影響？
5. • 函數指標的間接呼叫可能略微增加開銷（因位址解引用）。 現代編譯器通常會內聯小函數，減少影響。

程式碼進階範例（模擬qsort的比較器）

以下是一個更接近實際應用的範例，展示函數指標在排序中的使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 升序比較
int compare_asc(const void* a, const void* b) {
    return (*(int*)a - *(int*)b);
}

// 降序比較
int compare_desc(const void* a, const void* b) {
    return (*(int*)b - *(int*)a);
}

int main() {
    int arr[] = {5, 2, 9, 1, 5};
    int n = 5;
    
    // 升序排序
    qsort(arr, n, sizeof(int), compare_asc);
    printf("Ascending: ");
    for (int i = 0; i < n; i++) printf("%d ", arr[i]);
    printf("\n");
    
    // 降序排序
    qsort(arr, n, sizeof(int), compare_desc);
    printf("Descending: ");
    for (int i = 0; i < n; i++) printf("%d ", arr[i]);
    printf("\n");
    
    return 0;
}

輸出：

Ascending: 1 2 5 5 9
Descending: 9 5 5 2 1

練習建議

• 練習手寫函數指標的定義和使用，避免語法錯誤。
• 實現一個簡單的回調系統，例如事件處理器。
• 閱讀C標準庫中 qsort 或 signal 的文件，理解函數指標的應用。
• 如果熟悉C++，比較函數指標與 std::function 或lambda的用法。