深入理解指针（4）（C语言版）

前言

在C语言中，指针一直是一个让初学者头疼却又无法绕开的话题。它既强大又灵活，但同时也容易出错。对指针的深入理解，是每个C语言程序员成长过程中的必经之路。在之前的几篇博客中，我们已经探讨了指针的基础概念、数组与指针的关系、指针与字符串等内容。今天，我们将继续深入，探讨指针在回调函数中的应用，并以qsort函数为例，进行详细讲解和模拟实现。

一、回调函数是什么

（一）定义

回调函数，简单来说，就是一个通过函数指针调用的函数。在程序运行过程中，当我们需要将某个函数的地址传递给另一个函数，然后在适当的时候由后者调用前者，这个被调用的函数就被称为回调函数。

（二）工作原理

回调函数的工作原理基于函数指针。在C语言中，函数指针是一种特殊的指针类型，它指向一个函数的入口地址。当我们把一个函数的指针作为参数传递给另一个函数时，接收方可以通过这个指针来调用对应的函数。这种机制使得程序在运行时具有更高的灵活性和可扩展性，因为它允许我们在不修改原有函数代码的情况下，通过传入不同的回调函数来改变其行为。

（三）应用场景

回调函数在很多场景中都有广泛的应用。例如，在图形用户界面编程中，我们经常会为按钮、菜单等控件设置回调函数，当用户触发相应事件（如点击按钮）时，系统会调用我们预先设定的回调函数来处理该事件。此外，在多线程编程中，回调函数也常用于线程的创建和同步操作，通过指定线程函数的指针来实现特定任务的执行。还有像数据排序、算法库等，也会利用回调函数来自定义排序规则或提供扩展接口，以满足不同用户的需求。

二、qsort举例

（一）qsort函数简介

qsort函数是C标准库中的一个快速排序函数，它位于stdlib.h头文件中。其函数原型为：

void qsort(void *base, size_t num, size_t width, int (*comp)(const void *, const void*));

其中，base是指向要排序的数组首元素的指针；num是数组中元素的个数；width是每个元素的大小（以字节为单位）；comp是一个指向比较函数的指针，用于定义排序规则。

（二）比较函数的定义

比较函数是qsort函数的核心部分，它决定了排序的顺序。该函数的类型为int (*)(const void , const void)，即它接收两个指向const void类型的指针作为参数，返回一个int类型的整数。在比较函数中，我们需要将这两个void指针强制转换为我们实际数据类型的指针，然后根据具体的需求进行比较操作。例如，对于整数数组的升序排序，比较函数可以定义为：

int compare(const void *a, const void *b) {int arg1 = *(const int*)a;int arg2 = *(const int*)b;if(arg1 == arg2) return 0;return arg1 < arg2 ? -1 : 1;
}

这里，我们将传入的void指针转换为int指针，然后比较两个整数的大小。如果arg1小于arg2，返回-1，表示a应该排在b前面；如果arg1大于arg2，返回1，表示a应该排在b后面；如果两者相等，返回0。

（三）使用示例

假设我们有一个整数数组，想要使用qsort函数对其进行升序排序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int compare(const void *a, const void *b) {int arg1 = *(const int*)a;int arg2 = *(const int*)b;if(arg1 == arg2) return 0;return arg1 < arg2 ? -1 : 1;
}int main() {int arr[] = {5, 3, 8, 1, 2, 7, 4, 6};int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);printf("Before sorting:\n");for(int i = 0; i < n; i++) {printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");qsort(arr, n, sizeof(int), compare);printf("After sorting:\n");for(int i = 0; i < n; i++) {printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");return 0;
}

运行结果为：

Before sorting:
5 3 8 1 2 7 4 6
After sorting:
1 2 3 4 5 6 7 8

在这个例子中，我们通过定义比较函数compare，将升序排序的规则传递给qsort函数，从而实现了对整数数组的排序操作。

三、qsort函数的模拟实现（冒泡排序）

（一）基本思路

冒泡排序是一种简单的排序算法，它重复地遍历要排序的数组，比较每对相邻元素，如果它们的顺序错误就把它们交换过来。遍历数组的工作是重复地进行直到没有再需要交换的元素，也就是说该数组已经排序完成。
从零开始学习冒泡排序，忘记的可以先看看这篇文章。

（二）模拟qsort函数的实现

为了模拟qsort函数的行为，我们需要考虑其通用性，即能够对不同类型的数据进行排序。因此，我们需要使用void指针来处理数据，并通过比较函数指针来定义排序规则。以下是使用冒泡排序算法模拟实现的代码：

void my_qsort(void *base, size_t num, size_t width, int (*comp)(const void *, const void*)) {char *arr = (char*)base; // 将基地址转换为字符指针，方便操作for(size_t i = 0; i < num - 1; i++) {for(size_t j = 0; j < num - i - 1; j++) {// 比较相邻元素if(comp(arr + j * width, arr + (j + 1) * width) > 0) {// 交换元素for(size_t k = 0; k < width; k++) {char temp = arr[j * width + k];arr[j * width + k] = arr[(j + 1) * width + k];arr[(j + 1) * width + k] = temp;}}}}
}

（三）测试模拟实现

为了验证我们模拟实现的my_qsort函数是否正确，可以使用与之前相同的测试用例：

int main() {int arr[] = {5, 3, 8, 1, 2, 7, 4, 6};int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);printf("Before sorting:\n");for(int i = 0; i < n; i++) {printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");my_qsort(arr, n, sizeof(int), compare);printf("After sorting:\n");for(int i = 0; i < n; i++) {printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");return 0;
}

运行结果与使用标准库的qsort函数相同，说明我们的模拟实现是正确的。

总结

通过本文的探讨，我们深入了解了回调函数的概念及其在C语言中的应用，重点分析了qsort函数的使用方法和工作原理，并成功使用冒泡排序算法模拟实现了该函数。这一过程不仅加深了我们对指针、函数指针以及冒泡排序算法的理解，还提高了我们的编程实践能力。在实际开发中，灵活运用回调函数和qsort等标准库函数，可以大大提高代码的可读性、可维护性和效率。希望读者能够通过本文的学习，在C语言的指针世界中更进一步，为后续的学习和工作打下坚实的基础。