Funkce

Zatím jsme veškerý kód psali pouze na jedno místo v programu, do "mainu". Jakmile programy začnou být větší a větší, tak začne také být neustále těžší a těžší se v nich zorientovat a udržet je celé v hlavě, abychom nad nimi mohli přemýšlet. Zároveň se nám v programu brzy začnou objevovat úseky kódu, které jsou téměř totožné, ale liší se v drobných detailech. Chtěli bychom tak mít možnost takovýto kód napsat pouze jednou a tyto měnící se detaily do něj pouze "dosadit". K rozdělení kódu programu do sady ucelených částí a jejich parametrizaci slouží funkce (functions).

Funkce je pojmenovaný blok kódu, na který se můžeme odkázat v jiné části programu a vykonat tak kód, který se ve funkci nachází. S jednou funkcí už jsme se setkali. Jedná se o funkci main, jejíž kód je proveden při spuštění programu. My si nicméně můžeme vytvořit vlastní funkce. Zde je příklad vytvoření, tj. definice (definition) jednoduché funkce s názvem1 vypis_text:

1Pravidla pro pojmenovávání funkcí jsou totožná s pravidly pro pojmenovávání proměnných.

 
void vypis_text() {
    printf("Ahoj\n");
}

Před názvem funkce je nutné uvést datový typ (zde je uveden typ void). Níže bude vysvětleno, k čemu tento typ slouží.

Tento blok2 kódu se přeloží na instrukce a bude existovat v přeloženém programu stejně jako funkce main, nicméně sám o sobě se nezačne provádět. Abychom kód této funkce provedli, musíme ji tzv. zavolat (call). To provedeme tak, že napíšeme název této funkce a za něj dáme závorky (()):

2Stejně jako u cyklů se bloku kódu funkce často říká tělo funkce (function body).

 
#include <stdio.h>

void vypis_text() {
    printf("Ahoj\n");
}
int main() {
    vypis_text(); // zavolání funkce vypis_text
    return 0;
}

Zavolání funkce je výraz, při jehož vyhodnocení dojde k provedení kódu funkce, která se volá. Když se v programu nahoře ve funkci main vykoná řádek vypis_text();, tak se začne vykonávat kód funkce vypis_text. Jakmile se příkazy z této funkce vykonají, tak program bude pokračovat ve funkci main.

Pomocí volání funkcí můžeme mít kus kódu v programu zapsán pouze jednou ve funkci, a poté ho můžeme spouštět z různých částí programu, podle toho, kdy se nám to zrovna bude hodit.

Parametrizace funkcí

Funkcím lze dávat vstupy zvané parametry (parameters). Parametry jsou proměnné uvnitř funkce, jejichž hodnotu nastavujeme při zavolání dané funkce. Například následující funkce vypis_cislo má parametr cislo s datovým typem int.

#include <stdio.h>

void vypis_cislo(int cislo) {
    printf("Cislo: %d\n", cislo);
}
int main() {
    vypis_cislo(5);
    return 0;
}

Při zavolání funkce musíme pro každý její parametr do závorek dát hodnotu odpovídajícího datového typu. Zde je jediný parameter typu int, takže při zavolání této funkce musíme do závorek dát jednu hodnotu datového typu int: vypis_cislo(5). Před spuštěním příkazů ve funkci dojde k tomu, že hodnota každého parametru se nastaví na hodnotu předanou ve volání funkce3. Při zavolání vypis_cislo(5) si tak můžete představit, že se vykoná následující kód:

3Hodnoty (výrazy) předávané při volání funkce se nazývají argumenty (arguments). Při volání vypis_cislo(5) se tedy do parametru cislo nastaví hodnota argumentu 5.

 
{
    // nastavení hodnot parametrů
    int cislo = 5;

    // tělo funkce
    printf("Cislo: %d\n", cislo); 
}

Parametrů mohou funkce brát libovolný počet, nicméně obvykle se používá maximálně cca 5 parametrů, aby funkce a její používání (volání) nebylo příliš složité. Jednotlivé parametry jsou odděleny v definici funkce i v jejím volání čárkami:

#include <stdio.h>

void vypis_cisla(int a, int b) {
    printf("Cislo a: %d\n", a);
    printf("Cislo b: %d\n", b);
}
int main() {
    vypis_cisla(5 + 5, 11 * 2);
    return 0;
}

Pomocí parametrů můžeme vytvořit kód, který není "zadrátovaný" na konkrétní hodnoty, ale umí pracovat s libovolnou hodnotou vstupu. Díky toho lze takovou funkci využít v různých situacích bez toho, abychom její kód museli kopírovat. Příklady použití parametrů funkcí:

  • Funkci vypis_ctverec, která přijme jako parametr číslo n a vypíše na výstup čtverec tvořený znaky x o straně n.
  • Funkci vykresli_pixel, která přijme jako parametry souřadnici na obrazovce a barvu a vykreslí na obrazovce na dané pozici pixel s odpovídající barvou.

Cvičení: Zkuste naprogramovat funkci vypis_ctverec.

Návratová hodnota funkcí

Nejenom, že funkce můžou přijímat vstup, ale umí také vracet výstup. Datový typ uvedený před názvem funkce udává, jakého typu bude tzv. návratová hodnota (return value) dané funkce. V příkladech výše jsme viděli datový typ void. Tento datový typ je speciální, protože říká, že funkce nebude vracet nic. Pokud funkce má návratový typ void, tak nevrací žádnou hodnotu - pokud zavoláme takovouto funkci, tak se sice provede její kód, ale výraz zavolání nevrátí žádnou hodnotu:

void funkce() {}

int main() {
    // chyba při překladu, funkce nic nevrací
    int x = funkce();
    return 0;
}

Často bychom nicméně chtěli funkci, která přijme nějaké hodnoty (parametry), vypočte nějakou hodnotu a poté ji vrátí. Toho můžeme dosáhnout pomocí příkazu return <výraz>;. Při provedení tohoto výrazu se přestane funkce vykonávat a její volání se vyhodnotí hodnotou předaného výrazu. Zde je příklad funkce, která bere jako vstup jedno číslo a spočítá jeho třetí mocninu:

#include <stdio.h>

int treti_mocnina(int cislo) {
   return cislo * cislo * cislo;
}
int main() {
   printf("%d\n", treti_mocnina(5 + 1));
   return 0;
}

Příkazů return může být ve funkci více:

int absolutni_hodnota(int cislo) {
    if (cislo >= 0) {
        return cislo;
    }
    return -cislo;
}

Nicméně je důležité si uvědomit, že po provedení příkazu return už funkce dále nebude pokračovat:

int zvetsi(int cislo) {
    return cislo + 1;
    printf("Provadi se funkce zvetsi\n"); // tento řádek se nikdy neprovede
}

Pokud má funkce jakýkoliv jiný návratový typ než void, tak v ní musí být vždy proveden příkaz return! Pokud k tomu nedojde, tak program může začít vykazovat nedefinované chování 💣 a může se tak chovat nepředvídatelně. Například následující funkce je špatně, protože pokud hodnota parametru cislo bude nezáporná, tak se ve funkci neprovede příkaz return:

int absolutni_hodnota(int cislo) {
    if (cislo < 0) {
      return -cislo;
    }
}

Pokud má funkce návratový typ void, tak její provádění můžeme ukončit pomocí příkazu return; (zde nepředáváme žádný výraz, protože funkce nic nevrací).

Syntaxe

Syntaxe funkcí v C vypadá takto:

<datový typ> <název funkce>(<dat. typ par. 1> <název par. 1>, <dat. typ par. 2> <název par. 2>, ...) {
    // blok kódu
}

Datovému typu, názvu funkce a jejím parametrům se dohromady říká signatura (signature) funkce. Tato informace je důležitá, abychom věděli, jak s danou funkcí pracovat (jak ji volat), k tomu není nutné znát obsah těla funkce.

Výhody funkcí

Zde je pro zopakování uveden přehled výhod používání funkcí:

  • Znovupoužitelnost kódu: pokud chcete stejný kód použít na více místech programu, nemusíte ho "copy-pastovat". Stačí ho vložit do funkce a tu poté zavolat.
  • Parametrizace kódu: pokud chcete spouštět stejný kód nad různými vstupními hodnotami, stačí udělat funkci, která dané hodnoty přijme jako parametry (a případně vrátí výsledek výpočtu jako svou návratovou hodnotu).
  • Abstrakce: když rozdělíte logiku programu do sady funkcí, tak si značně usnadníte přemýšlení nad celým programem. Jednotlivé funkce budete moct testovat a přemýšlet nad nimi separátně, nezávisle na zbytku programu. Pomocí používání funkcí také bude mnohem přehlednější čtení programu, protože bude stačit číst, co se provádí (která funkce se volá) a ne jak se to provádí (jaké příkazy jsou v těle funkce). Takovýhle kód pak lze číst téměř jako větu v přirozeném jazyce: 
    int zivot = vrat_zivoty_hrace(id_hrace);
zivot = zivot - vypocti_zraneni_prisery(id_prisery);
nastav_zivory_hrace(id_hrace, zivor);
  • Sdílení kódu: pokud budete chtít použít kód, který napsal někdo jiný, tak toho dosáhnete právě používáním funkcí, které vám někdo připraví.

Umístění funkcí

Funkce v C musíme psát vždy na nejvyšší úrovni souboru. V C tedy například není možné definovat funkci uvnitř jiné funkce:

int main() {
    int test() { }
}

Proč název "funkce"?

Možná vás napadlo, že název funkce zní podobně jako funkce v matematice. Není to náhoda, funkce v programech se tak opravdu dají částečně chápat – berou nějaký vstup (parametry) a vracejí výstup (návratovou hodnotu). Například následující matematickou funkci:

\( f(x) = 2 * x \)

můžeme v C naprogramovat takto:

int f(int x) {
    return 2 * x;
}

Aby ale funkce v C splňovala požadavky matematické funkce, musí být splněno několik vlastností:

  • Funkce nesmí mít žádné vedlejší efekty. To znamená, že by měla pouze provést výpočet na základě vstupních parametrů a vrátit vypočtenou hodnotu. Neměla by číst nebo modifikovat globální proměnné nebo například interagovat se soubory na disku.
  • Funkce musí mít návratový typ jiný než void, aby vracela nějakou hodnotu. Z toho také vyplývá, že funkce s návratovým typem void musí mít nutně nějaké vedlejší efekty, jinak by totiž nemělo cenu ji volat (protože nic nevrací).
  • Pokud je funkce zavolána se stejnými hodnotami parametrů, musí vždy vrátit stejnou návratovou hodnotu. Této vlastnosti se říká idempotence. Jelikož jsou počítače deterministické, tato vlastnost by měla být triviálně splněna, pokud funkce neobsahuje žádné vedlejší efekty.

Funkce splňující tyto vlastnosti se nazývají čisté (pure). S takovýmito funkcemi je jednodušší pracovat a přemýšlet nad tím, co dělají, protože si můžeme být jistí, že nemodifikují okolní stav programu a pouze spočítají výsledek v závislosti na svých parametrech. Pokud to tedy jde, snažte se funkce psát tímto stylem (samozřejmě ne vždy je to možné).

V předmětu Funkcionální programování budete pracovat s funkcionálními programovacími jazyky, ve kterých je většina funkcí čistých.