Funzione (informatica)

Una funzione (detta anche routine, subroutine, procedura, sottoprogramma o metodo), in informatica e nell'ambito della programmazione, è un particolare costrutto sintattico di un determinato linguaggio di programmazione che permette di raggruppare, all'interno di un programma, una sequenza di istruzioni in un unico blocco, espletando così una specifica (e in generale più complessa) operazione, azione (o elaborazione) sui dati del programma stesso in modo tale che, a partire da determinati input, restituisca determinati output.

L'importanza, la praticità e i vantaggi di una funzione stanno nel fatto che può essere "chiamata" ("richiamata", "invocata" o "attivata") in diversi punti del programma di cui fa parte ogni volta in cui si ha la necessità di farlo come se fosse una singola istruzione senza la necessità di doverne riscrivere ogni volta il relativo codice implementando dunque il cosiddetto riuso di codice, cui si aggiunge una più facile manutenibilità del codice all'interno del programma e una più facile progettazione del software secondo la classica filosofia del divide et impera.

Le funzioni sono tipicamente anche le modalità con cui si costruiscono le API di un certo linguaggio di programmazione.

Descrizione

Una funzione dovrebbe eseguire una determinata operazione o risolvere un determinato problema (o al limite tutto il problema) all'interno dell'algoritmo risolutivo, contribuendo così alla fattorizzazione del software. Ad esempio, una subroutine progettata per disporre in ordine crescente un insieme di numeri interi può essere richiamata in tutti i contesti in cui questa operazione sia utile o necessaria, e supplisce alla mancanza di una vera e propria "istruzione" dedicata allo scopo, consentendo al contempo di descrivere il corrispondente algoritmo di ordinamento in un unico punto del programma.

Le subroutine che implementano funzionalità di base spesso richiamate nel codice sorgente dal programmatore sono raccolte all'interno delle cosiddette librerie.

Nei diversi linguaggi di programmazione, le funzioni vengono realizzate in modi e con terminologie parzialmente differenti.

• il termine subroutine è stato usato fino dagli albori della programmazione per riferirsi a sezioni di codice assembly o in linguaggio macchina (e viene usato per estensione in altri contesti ad esempio nelle prime versioni del BASIC);
• i termini procedura e funzione vengono generalmente usati nel contesto dei linguaggi di programmazione ad alto livello; laddove non siano considerati sinonimi per funzione si intende un sottoprogramma il cui scopo principale sia quello di produrre un valore in output a partire da determinati dati in ingresso (cosa che stabilisce un'analogia con l'omonimo concetto di funzione matematica), senza modificare lo stato; mentre una procedura è un sottoprogramma che non "produce" alcun particolare valore in output ma modifica lo stato. Alcuni linguaggi (per esempio il C) adottano come modello "standard" quello della funzione, e considerano le procedure come caso particolare di funzione che restituisce un valore appartenente all'insieme vuoto.
• il termine sottoprogramma è anch'esso tipico dei linguaggi di programmazione ad alto livello, ed è talvolta usato come termine generale per riferirsi sia a procedure che a funzioni nel senso descritto sopra.
• il termine metodo è usato invece nell'ambito della programmazione orientata agli oggetti in luogo di quello di funzione.

Funzionamento

Quasi tutti i linguaggi di programmazione supportano le funzioni, fornendo una propria sintassi per definire una funzione, ovvero scriverne il codice, e una per richiederne l'esecuzione (invocazione o chiamata della funzione).

In generale la sintassi comune della definizione di una funzione prevede:

• un identificativo o nome;
• per linguaggi tipizzati un tipo di ritorno ovvero una specifica sul tipo di dato che essa restituirà in output all'utente o ad altre funzioni che la invocano; quando una funzione non restituisce nulla (es. funzioni con tipo restituito void) la funzione avrà svolto altre elaborazioni agendo ad esempio sullo stato delle variabili del programma o visualizzando a video qualcosa senza restituire nulla. In linguaggi non tipizzati o a tipizzazione debole invece non è presente il tipo di ritorno.
• la specifica (non sempre necessaria) dei cosiddetti parametri o operandi i cui valori saranno poi passati in fase di invocazione e su cui la funzione opererà in fase di elaborazione; anche in assenza di parametri il corpo della funzione potrà svolgere la sua elaborazione con altre istruzioni ad esempio agendo sullo stato delle variabili del programma o visualizzando a video qualcosa.
• il corpo della funzione ovvero il nucleo dell'elaborazione costituita dal blocco, opportunamente delimitato, di una o più istruzioni, ciascuna terminata dal comando di terminazione, cicli iterativi, strutture condizionali ecc., il tutto concluso con la variabile eventualmente ritornata in output. Variabili definite nel blocco saranno necessariamente variabili locali cioè con visibilità solo all'interno del blocco stesso.

Una funzione è una porzione di codice che può essere invocata da qualsiasi punto di un programma. Per l'invocazione occorre tipicamente richiamarne almeno il nome passando i valori degli eventuali parametri, cui si aggiungono eventualmente altri dettagli dipendenti dal particolare linguaggio di programmazione in uso (es. notazione punto nei linguaggi ad oggetti).

Un funzione può a sua volta richiamare un'altra funzione, restando in attesa che questa termini. Si parla in questo caso di funzione invocante e funzione invocata, o funzione chiamante e funzione chiamata. È anche possibile che una funzione richiami direttamente o indirettamente sé stessa. In questo caso, si dice che in un dato momento sono in esecuzione più istanze di una stessa funzione. Questa possibilità è essenziale per la programmazione ricorsiva.

L'esecuzione di quella parte di programma si interrompe fino a quando l'esecuzione di una funzione non è terminata e prosegue dall'istruzione successiva a quella di invocazione.

Un altro strumento, che talvolta può essere usato al posto di una funzione, anche se con grosse limitazioni è la macro.

Variabili locali

Una funzione può definire variabili, dette locali, che sono visibili solo durante l'esecuzione di una particolare istanza della funzione ovvero sono definite e allocate all'interno del blocco o corpo della funzione e sono deallocate al termine dell'esecuzione del blocco stesso o funzione stessa. Se più istanze di una funzione sono in esecuzione contemporaneamente, ciascuna avrà la sua copia di ciascuna variabile locale.

Per conoscere le modalità con cui le dichiarazioni effettuate localmente a una funzione possano interagire con altre funzioni (o sottoblocchi di codice), è necessario avere una conoscenza approfondita delle modalità con cui l'ambiente viene gestito dallo specifico linguaggio.

Parametri formali ed effettivi

Quando si parla di passaggio di parametri in senso proprio, si intende una comunicazione diretta tra la funzione chiamante e la funzione chiamata.

In gran parte dei linguaggi, i parametri che una funzione può ricevere sono definiti all'atto della definizione della funzione. In questo contesto, le variabili della funzione che fanno riferimento ai parametri ricevuti sono detti parametri formali.

Quando una funzione viene invocata, gli identificatori associati internamente ai valori che le vengono passati sono detti parametri effettivi o parametri attuali.

I parametri sono normalmente in numero determinato dalla definizione della funzione, ma alcuni linguaggi forniscono sistemi più o meno eleganti per realizzare funzioni con un numero variabile di argomenti.

Nei linguaggi tipizzati, anche il tipo di dato dei parametri formali deve essere definito, ed il type checking deve essere svolto anche per verificare che i parametri effettivi siano di tipo compatibile con quello dei corrispondenti parametri formali. Il tipo di un parametro può essere anche una complessa struttura dati.

Ciascuna istanza di una funzione che è in esecuzione in un certo momento possiede la propria copia dei parametri effettivi (e delle variabili locali).

Poiché parametri diversi di una stessa funzione possono essere passati con meccanismi diversi, nelle descrizioni seguenti si farà riferimento a "un" parametro.

Passaggio di parametri

Il comportamento di una funzione può essere dipendente dai dati che le sono passati come parametri all'atto dell'invocazione; inoltre una funzione può restituire un dato all'uscita.

Esistono diverse modalità di passaggio dei parametri, o di accesso alle strutture definite all'interno del programma stesso: ogni linguaggio, infatti, gestisce il proprio ambiente dipendentemente dalle regole di scoping che implementa, e di cui è necessario tenere conto.

Variabili globali

Il metodo più semplice di passare parametri a una funzione è l'utilizzo di variabili globali, ovvero visibili da qualsiasi parte del programma. Questa pratica, quando attuata indiscriminatamente, è fortemente scoraggiata, perché può portare a una scarsa leggibilità semantica del codice, con conseguenze spesso inaspettate. Pertanto l'uso di variabili globali viene considerata una forma impropria di passaggio di parametri.

Passaggio per valore

Con questo meccanismo (nella letteratura in inglese indicato come "pass by value") il valore del parametro effettivo viene copiato nella variabile della funzione chiamata che rappresenta il parametro formale. Se la funzione chiamata lo modifica, la funzione chiamante non potrà vedere questa modifica. Si tratta quindi di un passaggio unidirezionale.

Passaggio per indirizzo o per riferimento

Con questo meccanismo (nella letteratura in inglese indicato come "pass by reference") la funzione invocata riceve come parametro un puntatore o riferimento al parametro effettivo. Se modifica il parametro passato per indirizzo, la modifica sarà visibile anche alla funzione chiamante. Il passaggio è quindi potenzialmente bidirezionale.

Passaggio per risultato

Questo meccanismo (nella letteratura in inglese indicato come "pass by result") è unidirezionale, serve cioè a passare un risultato al chiamante. Come nel caso del "passaggio per indirizzo", la funzione invocata riceve un puntatore o riferimento al parametro effettivo. Questo puntatore viene però usato non per leggere il valore del parametro, ma per copiarvi il risultato calcolato dalla funzione.

Passaggio per valore e risultato

Questo meccanismo (nella letteratura in inglese indicato come "pass by value-returned" o "pass by value-result") è una combinazione dei meccanismi di "passaggio per valore" e "passaggio per indirizzo". Il parametro è passato per indirizzo, cioè la funzione chiamata riceve un puntatore o riferimento al parametro effettivo. Tuttavia, in questo caso, la funzione fa una copia interna del parametro effettivo e usa questa copia. Prima di terminare, usa l'indirizzo del parametro effettivo per copiare il contenuto della sua copia interna sul parametro effettivo (in pratica per restituire il valore al chiamante).

Passaggio per nome

Questo meccanismo (nella letteratura in inglese indicato come "pass by name"), di difficile realizzazione nei linguaggi compilati, è soprattutto usato nelle macro. Il passaggio per nome è tuttavia stato usato nell'ALGOL 68 e nel Simula. A differenza degli altri tipi di passaggio di parametro, in cui viene creato il legame tra il parametro effettivo ed il parametro formale, in questo caso si crea un legame tra il parametro formale e una chiusura, formata dal parametro effettivo insieme al proprio ambiente di valutazione, che è fissato al momento della chiamata. Inoltre bisogna fare attenzione che con questo tipo di passaggio di parametro, il parametro effettivo viene valutato ogni volta che il parametro formale viene incontrato durante l'esecuzione.

Passaggio per condivisione

Con questo meccanismo (nella letteratura in inglese indicato come "pass by sharing"), adottato ad esempio dal Python, chiamante e chiamato condividono il parametro effettivo.

Valore restituito

Una funzione può restituire un valore (tipizzato) al chiamante. Questa modalità di passaggio di dati è unidirezionale, dal chiamato al chiamante.

Una chiamata di funzione è quindi un'espressione, che viene valutata per ottenere un valore. La valutazione di un'espressione che contenga una chiamata di funzione comporta l'esecuzione della funzione stessa.

In alcuni linguaggi, il termine procedura indica una funzione senza valore di ritorno, in altri si usa un tipo di dato apposito, detto void, per il valore restituito, a significare che la funzione non restituisce alcun valore.

Nei linguaggi funzionali il tipo di dato restituito può essere una funzione, che il chiamante potrà invocare.

Implementazione

Nella programmazione le funzioni sono uno strumento talmente importante e diffuso da richiedere una gestione della loro esecuzione estremamente efficiente allo scopo di mantenere bassi i tempi di chiamata della funzione e di ritorno del controllo al programma chiamante. Per questo motivo la gestione dell'allocazione delle variabili locali e del passaggio dei parametri vengono normalmente supportate direttamente dall'hardware. L'esistenza dello stack nelle architetture hardware è appunto riconducibile alla necessità di supportare efficientemente le funzioni. Infatti, quando viene invocata una funzione il punto del codice in cui è stata invocata viene salvato sullo stack (indirizzo di ritorno), e anche i parametri e le variabili locali di una funzione vengono salvati sullo stack.

L'insieme di questi dati sullo stack è detto record di attivazione, e rappresenta una funzione in fase di esecuzione, che può essere sospesa in attesa del completamento di un'altra funzione che a sua volta ha invocato.

Il record di attivazione in cima allo stack è quello della funzione attualmente in esecuzione, sotto c'è quello della funzione che l'ha chiamata, e così via.

Lo stack può essere usato anche in altri modi, ad esempio per memorizzare temporaneamente valori intermedi nella valutazione delle espressioni aritmetiche.

In assembly esistono funzioni dedicate al supporto delle funzioni e dello stack, con un corrispondente diretto nel linguaggio macchina:

• PUSH: metti un valore sullo stack
• POP: leggi e togli dallo stack un valore
• JSR: jump to subroutine, ovvero salta ad una subroutine (salvando l'indirizzo di ritorno sullo stack con PUSH)
• RET: ritorno da una subroutine al chiamante (identificato eseguendo una POP dell'indirizzo di ritorno dallo stack)

Naturalmente, ciascuna funzione o pezzo di codice che usa lo stack ha la responsabilità di togliere tutto quello che ha messo sullo stack prima di terminare (e nulla più di quanto ha messo), altrimenti il valore di un parametro o di una variabile locale verrà impiegato come indirizzo di ritorno, con conseguenze impredicibili. La difficoltà di garantire manualmente questa correttezza è uno dei motivi che giustificano l'uso di linguaggi di alto livello, che tra l'altro gestiscono automaticamente la coerenza dello stack.

A causa di queste operazioni, l'invocazione di una funzione comporta un costo, seppur normalmente modesto, in termini di prestazioni.

Sicurezza

Il meccanismo di implementazione delle funzioni, insieme all'aritmetica dei puntatori nel linguaggio C, viene sfruttato per costruire attacchi di tipo stack overflow o buffer overflow, che permettono di prendere il controllo di un programma in esecuzione fornendogli dati accuratamente artefatti.

Voci correlate

• Punto d'ingresso
• Funzione variadica
• Funzione anonima
• Linguaggio di programmazione
• Metodo (informatica)
• Parametro (informatica)
• Programmazione (informatica)
• Programmazione procedurale
• Pila (informatica)
• Macro (informatica)

Altri progetti

Altri progetti

• Wikizionario

• Wikizionario contiene il lemma di dizionario «funzione»

Collegamenti esterni

• funzione (in un linguaggio di programmazione), in Enciclopedia della Matematica, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 2013.
• (EN) function, in Free On-line Dictionary of Computing, Denis Howe. Disponibile con licenza GFDL