技(jì)術交流

周立功(gōng)教授數(shù)年之心血之作《程序設計與數據結構》，電(diàn)子版已(yǐ)無償性分享到電子工(gōng)程師與高校群體(tǐ)。書本内容公開後，在電子行業掀起一片學習熱潮。經周立功教授授權(quán)，特對本書内容進行連載，願共勉之。

第一章(zhāng)爲程序設計基礎，本文爲1.5.2/1.5.3共性與可變(biàn)性分析：建(jiàn)立抽象和建立接口。

>>>> 1.5.2 建立抽象

抽象化的(de)目的是使調用者無需知(zhī)道模塊的内部細節，隻需要知道模(mó)塊或函數的名字，因此将其稱爲黑盒化。調用者(zhě)隻需要知道黑盒子的輸入和輸出，而過程(chéng)的細節是隐藏的。由于建立了一個由黑盒子組成的系統，因此複雜的結構就被黑盒子(zǐ)隐藏起來了，則理解系統的整體(tǐ)結構(gòu)就變得更容易了。

從概念的視角來看，建立抽象關注的不是如何實現，而是函數要做(zuò)什麽，過早地關注實現細節，将(jiāng)實(shí)現細節隐藏起來，進而幫助我們構建(jiàn)更(gèng)易于修改的軟件。因此，我們首先應該選擇一個具有描述性的符(fú)合需求的名字，雖然可以選擇的(de)名字有swapByte、swapWord和swap，但swap更簡潔更貼切。其次，可以用一句話概念性地描述swap的數據(jù)抽象——swap是(shì)實現兩個數據(jù)交換(huàn)的函數。

顯然(rán)，調用者僅需(xū)一般性(xìng)地在概(gài)念層次上與實現者交流，因爲(wèi)調(diào)用者的意圖是如何(hé)使用swap()實現兩個數據的交換，所以無需準确地(dì)知道實現的細節。而具體如何完(wán)成數據的交換，這是在實現層次進行的。由此可見，将(jiāng)模塊的目的與實現分離的抽象揭示(shì)了問題的本質(zhì)，并沒有提供解決方案。隻說(shuō)明需要做什麽，并不會(huì)指出如何實現(xiàn)某個模塊。隻要概念不(bú)變，調用者與實現細節(jiē)的變(biàn)化就徹(chè)底隔離了。當某(mǒu)個模塊完成編碼後，隻要說明該模(mó)塊的目的和參數就(jiù)可以使用它(tā)，無需知道具體的(de)實現。

函數抽象對團隊(duì)項目非常重要，因爲在團隊中必須使用其他(tā)成員編(biān)寫的模塊。比如，編程(chéng)語言本身自帶的庫函數，由于已經被預編譯，因此無法訪問它的源代碼。同時庫函數(shù)不一定是用C編(biān)寫的，因此隻要知道(dào)其調用規(guī)範，就可以在程序中毫無顧忌地使用這個函數。實際上，在使用scanf()函數的過程中，我們考慮過scanf()是如(rú)何實(shí)現的嗎？無關(guān)緊要。盡管不同系統實現scanf()的方法可(kě)能不一樣，但其中的不同對于程序員來(lái)說(shuō)是透明的(de)。

>>>> 1.5.3 建立接口

接口是由公開(kāi)訪問的方法和數據組成的(de)，接口描述了與模塊交互的唯一途徑。最小化的接口隻包含對于接口的任務非常重要的參數，最小化的接(jiē)口(kǒu)便于學習如何與之交互，且(qiě)隻需要理解少量的(de)參數，同時易于擴展和維護，因此設計良(liáng)好的接口是一項重要的技能。

>>> 1. 函數調用

（1）傳值調用

如何調用(yòng)swap()函數呢？實參将值從主(zhǔ)調函數(shù)傳遞(dì)給被調函數，也許其調(diào)用形式是下面這(zhè)樣的：
swap(a, b);

從黑盒視角來看，形參和其它(tā)局部變量都是函數私有的，聲(shēng)明在不同(tóng)函數中的同名(míng)變量是完全不(bú)同的變(biàn)量(liàng)，而且函數無法直接訪問(wèn)其它函數中的變量，這種限制訪問保護了數據的完整性，黑盒發生了什麽對主調函數(shù)是不可見的。

一個變量的有效範圍稱作它的作用域(yù)，變量(liàng)的作用域指可以通過變量名稱引用變量的區(qū)域，在函數内部聲(shēng)明的變量隻在該函數内部有效。當(dāng)主調函數調用子函(hán)數時，主函數内聲明的變量在子(zǐ)函數内無效，子函數内聲明的變量也隻在該子函數(shù)内部有效。

由于傳遞給函數的是變量的替身，因此改變函數參數對原始變量沒有影響(xiǎng)。當變量傳遞(dì)給函數時，變量的值被複制給函數參數(shù)。由此可見(jiàn)，通過“傳(chuán)值調用”方(fāng)式交換a、b的值，無法改變主調函數相應變量(liàng)的值。

（2）傳址調用(yòng)

如(rú)果希望通過被調函數(shù)将更多的值傳回主調函(hán)數而改變主調函數(shù)中(zhōng)的變量，則使用“傳(chuán)址調用”——将&a、&b作爲實參傳遞給(gěi)形參。其調用形式如下：
swap(&a, &b);

利用指針作爲函數(shù)參數傳遞(dì)數據的本質，就是在主調函數和被調函數中，通過不同的指(zhǐ)針指向同一内存地址(zhǐ)訪問相同的内存區域，即它們背後共享相同的内存，從而實現數據的傳遞和交換。

>>> 2. 函數原(yuán)型

函數(shù)原(yuán)型是C語言的一個強有力的工具，它(tā)讓編譯器捕(bǔ)獲在使用(yòng)函數時可能出現的(de)許多錯誤或疏漏(lòu)。如果編譯器沒有發現這些(xiē)問題，就很難察覺出來。函數原型包(bāo)括函數返回值的類型、函數名和形(xíng)參列表（參數的數量和每個參(cān)數的類型），有了這些信息，編譯器就(jiù)可(kě)以檢查函數調用(yòng)與函數原型是否匹(pǐ)配？比如(rú)，參數的數量是否正确？參數的類型是否匹配？如果類型不匹配，編譯(yì)器會将實參的(de)類型轉(zhuǎn)換成形(xíng)參的類型。

（1）函數(shù)形參

通過程序清單 1.15可以看出，其相同的處理部分是2個(gè)int類值的交換(huàn)代碼，因此可(kě)以将數據交換代碼移到swap()函數的實現中，其可(kě)變的數據由外部傳進來的參數應對。由(yóu)于&a是指向int類型(xíng)變量a的指針，&b是指向int類型變量b的指針，因此必須将p1、p2形參聲明爲指向int *類型的指針變量，即必須将存儲(chǔ)int類型值變量的地址(zhǐ)作爲實參賦給指針形參，實參與形(xíng)參才能匹配。其函數原型(xíng)進化如下：
swap(int *p1, int *p2);

（2）返回值的(de)類型

聲明(míng)函數時必須聲(shēng)明函數的類型，帶(dài)返回(huí)值(zhí)的函數類型應該與(yǔ)其返回(huí)值類型相同，而沒有返(fǎn)回值的函數(shù)應該聲(shēng)明爲void。類型聲明是函數定義的一部分，函數類型指的是返回值的類型，不是函數(shù)參數的類型。

雖然可以使用return返回值，但return隻能返回一個值給主調函數。比(bǐ)如，如果返回值爲(wèi)整數，則函數(shù)返回(huí)值的類型爲int。當返回值爲int類型時，如果返回值爲負數，則表(biǎo)示失敗；如果返回值爲非負數，則表示成功。當(dāng)返回值爲bool類型時，如果返回(huí)值爲false，則表示失敗，如果返回值爲true，則表示成功(gōng)。當返回值爲指針類型時，如果返回值爲(wèi)NULL，則表示失敗，否則返回一個有(yǒu)效的指針(zhēn)。

如果(guǒ)利用指針(zhēn)作爲參數傳遞給函數，不僅可以向(xiàng)函數傳入數據，而且還可以從(cóng)函數返回多個值。因爲函數的調(diào)用者和函數都可以使用指向同一内存地址(zhǐ)的(de)指針，即使用同一塊内存(cún)，所以使用指針(zhēn)作爲函數參數時就是對同一數據進行讀寫操作。這樣不僅(jǐn)可以傳入(rù)數據(jù)，還可以通過在函數内部修改這些數據，将函數的結果傳出給調(diào)用(yòng)者。

當函數的實(shí)參是指針變量時，有時希望函數能(néng)通過指針指向别(bié)處的(de)方式改變此變量，則需要(yào)使用指向指針(zhēn)的指(zhǐ)針作爲形參。

由于swap()無返回值(zhí)，因此(cǐ)swap()返回值(zhí)的類型爲void，其函(hán)數原型如下：
void swap(int *p1, int *p2);

其(qí)被解釋爲swap是返回void的函數（參數是int *p1，int *p2）。

這是一個不斷叠代優化的(de)過程，用戶隻需要知道“函(hán)數名、傳入函數的參數和函數返回值的(de)類型”，就知(zhī)道如何(hé)有效地(dì)調用相應的函數。

>>> 3.  依賴(lài)倒置原則

在面向(xiàng)過程(chéng)編程中，通常的做法是高層模塊調用低層模塊，其目的之一就是要定義子程序層次結構。當高(gāo)層模塊依(yī)賴于低層模塊時(shí)，對低層模塊(kuài)的改動會直接影響高層模塊，從而迫使(shǐ)它們依次做出修改。如果高層模塊(kuài)獨立于低層模塊，則高層模塊更容易重用，這(zhè)就是分層架構設計的核(hé)心原則，即依賴(lài)倒置原則（Dependence Inversion Principle，DIP）：

● 高層模(mó)塊(kuài)不應該依賴低層模塊，兩(liǎng)者都應該依賴于抽(chōu)象接口；

● 抽象接口不應該依賴于細節，細節應(yīng)該依賴抽象接口。

當在分層架構中使用依賴(lài)倒置(zhì)原則時，将會發現(xiàn)“不再(zài)存在分層”的概念了。無論是高層還是(shì)低(dī)層，它們都依賴于抽象接口，好像将整個分層(céng)架構推平一樣。

其實從“Hello World”程(chéng)序開始(shǐ)，我們就已經在使(shǐ)用(yòng)stdio.h包含的“抽象接(jiē)口”了，即以後凡是用#include文件的擴展名叫.h（頭文件）。如果源代碼中要用到stdio标準輸入輸(shū)出函數時，那麽就要包含(hán)這個頭文件，比如，“scanf("%d",&i);”函數，其目的(de)是告(gào)訴編譯器要使用stdio庫。庫是一種工具的集合，這些工具是由其它程(chéng)序員編寫的，用于實現特定的功能。盡管(guǎn)實現者無需關心用戶将如何使用庫，且(qiě)不會直接開放源代碼給用戶(hù)使用，但必(bì)須給用戶(hù)提供調用函數所需要的信息。顯然隻要将頭文件開放給用戶，即可(kě)讓用戶了解接口的所有(yǒu)細節，詳見程序清單 1.16。

程序清單 1.16 swap數據交換接口（swap.h）
1     #ifndef  _SWAP_H
2     #define  _SWAP_H
3     // 前置條件：實參必須是int類型變量的地址
4     // 後置(zhì)條件：p1、p2作(zuò)爲輸出參數，改變主調函數中相應(yīng)的(de)變量
5     void swap(int *p1, int *p2);
6     // 調用形式：swap(&a, &b)
7     #endif

其中，每個頭文件都指出了一個用戶(hù)可見的外(wài)部函(hán)數接口，主要包(bāo)括函數名、所需(xū)的參數、參數的類型和返(fǎn)回結果的類(lèi)型(xíng)。其中，swap是庫(kù)的名字，程序清單 1.16（1~2）與（8）是幫助編譯器記錄它所讀取的接(jiē)口，當寫一個接口時，必須包含(hán)#ifndef、#define和#ednif。#include行部分(fèn)僅當接口本身需要其它庫時(shí)才使用，它由标準的#include行組成。程序清單 1.16（6）接口項表示庫輸出的函數的原型、常量和類型等。不管你是否理解，這些行是接口的模闆文件(jiàn)，這就是信息隐藏。

>>> 4. 前/後置條件

處理信息隐藏還涉及到另一個技術(shù)，那就是使(shǐ)用前置條件和後置(zhì)條件描述函數的行(háng)爲。在編寫一個完整的函數(shù)定義時(shí)，需要描述該函數是如何執行計算的。但在使用函數時，隻需考慮(lǜ)該函(hán)數能(néng)做什麽，無需知道是(shì)如何完成(chéng)的。當不知(zhī)道函數是如何實現時，就(jiù)是在使用一種名爲過程抽象的信息隐藏形(xíng)式，它(tā)抽象掉的是函數(shù)如何工作的細節。計(jì)算機科學家使用(yòng)“過程”表示任意指令集，因此使(shǐ)用術(shù)語過程抽象。過程抽象是一種強大的工具，使(shǐ)得我們(men)一次隻考慮(lǜ)一個而不是所有的(de)函數，從而使問題求(qiú)解簡單化。

爲了使描述更(gèng)準确(què)，則需要遵循固定的格式，它包含兩部分信息：函數的前置條件和後置(zhì)條(tiáo)件。前置條件(jiàn)就是(shì)調用該函數必(bì)須成立的條件，當函數被調用時，該語句給出要求爲真的條件。除(chú)非前置條(tiáo)件(jiàn)爲真，否則無法保證函數能(néng)正确執行。在調用swap()函數時，實參必須是int類(lèi)型變量的地址，這是調用者的職責。通常在函數開(kāi)始處檢查(chá)是否滿足(zú)？如果不滿足，說明調用代碼有(yǒu)問題，抛出一個異常。

後置條件就是該操作完成後必(bì)須成立的條件，當函數調用時，如果函數是正确的，而且前(qián)置條件爲真，那麽該函數調用(yòng)将可以執行完成。當函數調用完成後，後(hòu)置條件爲(wèi)真。如果不(bú)滿足後置條件(jiàn)，則說明業務邏輯有問題。

當滿足調用swap()函數的前置條件時，必須同時确保其結束時滿足(zú)它的後置條件，其後置條件是被調函數将返回值傳(chuán)回主調函數，改變主調函數中變(biàn)量的值。

前後(hòu)置條件不(bú)隻是概括地描述函數的行爲，聲明這些條件應該是設計任(rèn)何函數的第一步。在開始考慮某個函數的(de)算法和代碼之前，應該寫出該函數的原型，其中包括(kuò)函數的返回類(lèi)型、名稱和參數列表(biǎo)，最(zuì)後緊跟一個分号。直接(jiē)來自于用戶的輸入不能作爲前置條件，通常前/後置條(tiáo)件都可以轉化爲assert語句。編寫函數原型時，應該以注釋的形式描述該函數的前(qián)置條件和後(hòu)置條件。

事實上，前置條件和後置條件在使用函數的(de)程序員和編寫函數的程序員之間形(xíng)成了一個契約，也就是爲什麽需(xū)要這個(gè)函數？接口通過(guò)前置(zhì)條件和後置條件以契約的形(xíng)式表達需求，承諾在滿足前置條件時(shí)開始，按照程序的流程(chéng)運行，系統就能到達後置條件。

雖然注釋是一種很好的溝通形式，但在(zài)代碼可以傳遞意圖的地方不要寫注釋。因爲(wèi)代碼解釋做了什麽，再注釋也沒有(yǒu)什麽用處，相反注釋要說明爲什麽會這樣寫代碼？

>>> 5. 開閉原則

接口僅需指明用戶調(diào)用程序(xù)可能調用的标識符，應盡可能地(dì)将算法以及一些與具體的(de)實現細(xì)節無關的信息(xī)隐藏起(qǐ)來，這樣用戶(hù)在調用(yòng)程序時也(yě)就不必(bì)依(yī)賴特定的實現細節(jiē)了。當(dāng)接口一旦發布後(hòu)，也就不能改變了，因爲改變接口勢必(bì)引起用(yòng)戶程序的改變(biàn)。如果此(cǐ)前(qián)定義的接口滿足不了需求，怎麽辦？隻能擴展新的接口，但不能修改或廢除原有的接口，這就是“對修改關閉(bì)，對(duì)擴展開放”的(de)開閉原則（Open-Closed Princple，OCP）。顯然，依賴倒置原則更加(jiā)精确的定義就是(shì)面向接(jiē)口的(de)編程，它是實現開閉原則的重要途徑。如(rú)果DIP依賴倒(dǎo)置原則沒有實現，就别想實(shí)現對擴展開放，對修改(gǎi)關閉。