模塊化程序設(shè)計(jì)-2

人們常把程序稱為計(jì)算機(jī)的靈魂。1976年瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)家Niklaus Wirth在他的驚世之作中提出了一個(gè)著名的公式：

程序 = 算法 + 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

從今天的觀點(diǎn)來(lái)看，它只能是對(duì)過(guò)程化程序的一個(gè)抽象定義，對(duì)面向?qū)ο蟮某绦蚨詣t不盡然。不過(guò)對(duì)我們學(xué)習(xí)C語(yǔ)言這樣的面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言而言，是完全適用的。同時(shí)，C語(yǔ)言也能實(shí)現(xiàn)封裝、繼承、多態(tài)等面向?qū)ο箫L(fēng)格的編程。從個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，當(dāng)我理解用C語(yǔ)言編寫(xiě)面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格的編程案例后，面向?qū)ο缶幊讨凶屓嗣曰蟮哪切┏跏蓟?、this、方法（函數(shù)）多層次調(diào)用等概念恍然大悟，再也不感到恐懼和迷惑了。本文主要討論面向過(guò)程編程常用的模塊兒化程序設(shè)計(jì)思想。

圖1 實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)原理

1、我們?cè)谟?jì)算機(jī)“大樓”的第幾層

計(jì)算機(jī)這個(gè)大樓的基礎(chǔ)是量子力學(xué)及半導(dǎo)體物理，自從圖靈提出了理論模型，布爾創(chuàng)立了布爾代數(shù)，香農(nóng)的碩士論文證明布爾代數(shù)可以用繼電器的開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)之后，隨著晶體管的發(fā)明，計(jì)算機(jī)的電路才有可能微型化。計(jì)算硬件電路完成以后，還需要軟件的支持，對(duì)程序語(yǔ)言的需求就凸顯出來(lái)，最早的機(jī)器語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言，后來(lái)慢慢出現(xiàn)的C, C++這樣的高級(jí)語(yǔ)言等非常適合系統(tǒng)級(jí)編程，也是近距離觀看和理解編程思想有效手段之一。

圖2 計(jì)算機(jī)“大樓”的層次

在圖2中各層具體含義為：1F量子力學(xué)、2F晶體管、3F邏輯電路、4F計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、5F匯編語(yǔ)言、6F高級(jí)語(yǔ)言、7F應(yīng)用程序。從這點(diǎn)可以看出，作為高級(jí)語(yǔ)言的C/C++在第六層（6F）。其中第三層（3F邏輯電路，即布爾代數(shù)可以用繼電器的開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)）是我們連接軟件世界和電路（電子或電氣）世界必經(jīng)之路。工業(yè)和自控領(lǐng)域，繼電器是理解二次側(cè)回路和低壓電路的必備概念，在后續(xù)文章中進(jìn)一步討論。

2、模塊兒化程序設(shè)計(jì)

模塊化程序設(shè)計(jì)就是進(jìn)行大型程序設(shè)計(jì)的一種有效措施。其基本思想是將一個(gè)大的程序按功能進(jìn)行分割成一些模塊，使每一個(gè)模塊都成為功能單一、結(jié)構(gòu)清晰、接口簡(jiǎn)單、容易理解的小程序。C語(yǔ)言是一種提供如下一些支持模塊化軟件開(kāi)發(fā)的功能：

(1)函數(shù)式的程序結(jié)構(gòu)：程序整體由一個(gè)或多個(gè)函數(shù)組成。每個(gè)函數(shù)都具有各自獨(dú)立的功能和明顯的界面。

(2)允許通過(guò)使用不同存儲(chǔ)類別的變量，控制模塊內(nèi)部及外部的信息交換。

(3)具有編譯預(yù)處理功能，為程序的調(diào)試、移植提供了方便，也支持了模塊化程序設(shè)計(jì)。

無(wú)論涉及的問(wèn)題是復(fù)雜還是簡(jiǎn)單，規(guī)模是大還是小，用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，任務(wù)只有一種，就是編寫(xiě)函數(shù)，至少也要編寫(xiě)一個(gè)main()函數(shù)。對(duì)新手來(lái)說(shuō)，無(wú)論面向過(guò)程還是面向?qū)ο蟮木幊?，最終的難點(diǎn)在于函數(shù)編寫(xiě)（一般在面向?qū)ο缶幊讨薪凶龇椒ǎ?。因此?strong>編寫(xiě)程序關(guān)鍵點(diǎn)在于將復(fù)雜問(wèn)題分解成多個(gè)函數(shù)或?qū)ο蠛螅鸩骄帉?xiě)其中的運(yùn)算操作語(yǔ)句和流程控制語(yǔ)句。

執(zhí)行C程序就是執(zhí)行相應(yīng)的main()函數(shù)。即從它的main()函數(shù)的第一個(gè)前花括號(hào)開(kāi)始，依次執(zhí)行后面的語(yǔ)句，直到最后的后花括號(hào)為止。其它函數(shù)只有在執(zhí)行main()函數(shù)的過(guò)程中被調(diào)用時(shí)才執(zhí)行。如圖3所示：

圖3 將功能改為函數(shù)的過(guò)程

3、重新理解編程中的函數(shù)

高級(jí)語(yǔ)言中“函數(shù)”的概念和數(shù)學(xué)中“函數(shù)”的概念不完全相同。在英語(yǔ)中“函數(shù)”與“功能”是同一個(gè)單詞即function。高級(jí)語(yǔ)言中的“函數(shù)”實(shí)際上是“功能”的意思。當(dāng)需要完成某一個(gè)功能時(shí)，就用一個(gè)函數(shù)（可以是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)或自己設(shè)計(jì)的函數(shù)）去實(shí)現(xiàn)它。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，我們先集中考慮main()函數(shù)中的算法（相當(dāng)于做事情前后順序和處理步驟）。當(dāng)main()中需要使用某一功能時(shí)，我們就先寫(xiě)上一個(gè)調(diào)用具有該功能的函數(shù)的表達(dá)式（或后綴為括號(hào)的具體函數(shù)名稱）。這時(shí)的函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)黑盒子，如圖4所示。

圖4 函數(shù)代表著具有輸入輸出接口系統(tǒng)或黑盒子

我們只須知道它具有什么功能或作用，如何與程序通信（輸入什么，返回什么）,別的東西我們先不去處理它。圖4好比“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的“系統(tǒng)”的抽象，但函數(shù)代表的系統(tǒng)輸入和輸出不是信號(hào)而是數(shù)據(jù)（當(dāng)然信號(hào)也能用數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)）。

如同設(shè)計(jì)一部機(jī)器一樣，當(dāng)需要在某處使用一個(gè)部件時(shí)，我們就先把它畫(huà)上，并標(biāo)明它的功能以及安裝方法，至于如何制造先不用考慮，因?yàn)橐苍S它可以直接購(gòu)買來(lái)。設(shè)計(jì)完main()的算法并檢驗(yàn)無(wú)誤后，我們開(kāi)始考慮它所調(diào)用的函數(shù)。在這些被調(diào)用的函數(shù)中，若在庫(kù)函數(shù)中可以找到（像制造機(jī)器時(shí)，庫(kù)房中已有的零部件），那就直接使用，否則再動(dòng)手設(shè)計(jì)這些函數(shù)。這樣設(shè)計(jì)的程序從邏輯關(guān)系上就形成圖5所示的層次結(jié)構(gòu)。

圖5 C語(yǔ)言程序的層次結(jié)構(gòu)

這個(gè)層次結(jié)構(gòu)的形成是自頂向下的。這種方法稱為自頂向下、逐步細(xì)化的程序設(shè)計(jì)方法。這種方法允許人在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)， 每個(gè)階段都能集中精力解決只屬于當(dāng)前模塊的算法，暫不考慮與之無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)， 從而能保證每個(gè)階段所考慮的問(wèn)題都是易于解決的，設(shè)計(jì)出來(lái)的程序成功率高，而且程序?qū)哟畏置鳌⒔Y(jié)構(gòu)清晰。

4、結(jié)束語(yǔ)

函數(shù)不僅代表功能，也可以代表人或其他任何對(duì)象的抽象。一個(gè)部門(mén)的組織架構(gòu)也用一個(gè)C語(yǔ)言多層次函數(shù)來(lái)描述。一個(gè)職責(zé)和任務(wù)沒(méi)有劃分清楚組織架構(gòu)就像一個(gè)設(shè)計(jì)不合格的程序結(jié)構(gòu)。許多大型軟件系統(tǒng)包含了相當(dāng)豐富的功能，意味著需要編寫(xiě)相當(dāng)數(shù)量的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可供從事某種領(lǐng)域工作的人員使用。比如說(shuō)，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施大致上可分為電源、電氣、暖通、弱電、消防（氣消）、裝修、自控、柴油發(fā)電機(jī)組等。為了建設(shè)方方便，我們也可以將部分功能放到機(jī)房工程模塊里。因此，怎么的劃分各功能模塊及其接口是某種程度上決定著軟件系統(tǒng)性能、可擴(kuò)展性和靈活性。