技(ji)術交流

周立功教授(shòu)數年之心血之(zhi)作《程序設計與(yǔ)數據結構🈲》，電子(zi)版已無償性分(fen)享到電子工程(chéng)師與高校群體(tǐ)。書本内容公開(kai)後♌，在電🈲子行業(ye)掀起一片學習(xi)熱潮。經周立功(gong)教授授權，特對(duì)本書内容進行(háng)連載，願共勉之(zhi)。

第一章爲程序(xu)設計基礎，本文(wén)爲1.5.2/1.5.3共性與可變(bian)性分析：建立抽(chou)象和建立接口(kǒu)。

>>>> 1.5.2 建立抽象

抽象(xiàng)化的目的是使(shǐ)調用者無需知(zhi)道模塊的内部(bu)細☀️節♻️，隻需🌈要☂️知(zhi)道模塊或函數(shu)的名字，因此将(jiāng)其稱爲黑盒化(hua)。調用者隻需要(yào)知道黑盒子的(de)輸入和輸♋出，而(er)過程的細節是(shi)隐藏的。由👌于建(jiàn)立了一個由黑(hēi)盒子組成的系(xì)統，因此複雜的(de)💜結構就被黑盒(he)子隐✂️藏起來了(le)，則理解系統的(de)整體結構就變(biàn)得更容易了。

從(cóng)概念的視角來(lái)看，建立抽象關(guān)注的不是如何(hé)實現，而是💞函數(shù)要做什麽，過早(zǎo)地關注實現細(xi)節，将實現細節(jiē)隐藏起來，進而(ér)幫助我們構建(jiàn)更易于修改的(de)軟件。因此，我們(men)首先應該選♌擇(ze)一個具有描述(shù)性的符合需求(qiú)的名字，雖然可(ke)以選擇的名字(zi)有swapByte、swapWord和swap，但swap更簡潔(jié)更貼切。其次，可(kě)以用一句話概(gai)念性地描述🏃‍♀️swap的(de)數據抽象——swap是實(shí)現兩個數據交(jiao)換的函數。

顯然(rán)，調用者僅需一(yī)般性地在概念(niàn)層次上與實現(xiàn)者交流，因⚽爲調(diào)用者的意圖是(shi)如何使用swap()實現(xian)兩個數據的交(jiao)換，所以無需準(zhun)🌈确地知道實現(xiàn)的細節。而✏️具體(tǐ)如何完成數據(jù)的交換，這👨‍❤️‍👨是在(zai)實🆚現層次進行(háng)的。由此可見，将(jiang)模塊的目的與(yǔ)🔅實現分離的抽(chou)象揭示了問題(ti)的💋本質，并沒有(you)㊙️提供解決方✨案(an)。隻說明需要做(zuò)什麽，并不會指(zhi)出如何實現某(mou)個模塊。隻要概(gai)念不變，調用者(zhě)與實現細🐪節的(de)變化就徹底隔(gé)離了。當某個模(mo)塊完成編碼後(hou)，隻要說明該模(mo)塊的目的和參(cān)數就可以使用(yòng)它，無需知👨‍❤️‍👨道具(jù)體的實現。

函數(shù)抽象對團隊項(xiang)目非常重要，因(yin)爲在團隊中必(bì)須使用其他成(cheng)員編寫的模塊(kuài)。比如，編程語言(yán)本身自帶💋的庫(kù)🤟函數，由于已經(jīng)🧡被預編譯，因此(ci)無法訪問它的(de)源代碼。同時庫(kù)函數不一定是(shì)用🤟C編寫的，因此(ci)隻要知道⚽其調(diao)用規範，就可以(yǐ)在程序中毫無(wu)顧忌地使用這(zhè)個函數。實際上(shàng)，在使用scanf()函數的(de)過程中，我們考(kao)慮過scanf()是如何實(shí)現的嗎？無關緊(jin)要。盡管不同系(xi)統實現scanf()的方法(fa)可能不一樣，但(dàn)其中的不同對(dui)于程序員來說(shuo)是透明的。

>>>> 1.5.3 建立(li)接口

接口是由(you)公開訪問的方(fāng)法和數據組成(chéng)的，接口描述了(le)與模塊交互的(de)唯一途徑。最小(xiǎo)化的接口隻包(bao)含對❤️于接口的(de)任務非常重要(yao)的參數，最小化(hua)的接口便于🐇學(xué)習如何與之交(jiao)互，且隻需要理(lǐ)解少量的參數(shù)，同時易于擴展(zhan)和維護，因此設(shè)計良好的接口(kou)是一項重要的(de)技能。

>>> 1. 函數調用(yong)

（1）傳值調用

如何(hé)調用swap()函數呢？實(shi)參将值從主調(diào)函數傳遞給被(bei)調🔅函數，也許其(qí)調用形式是下(xia)面這樣的：
swap(a, b);

從黑(hei)盒視角來看，形(xíng)參和其它局部(bù)變量都是函數(shu)私有的，聲明在(zai)不同函數中的(de)同名變量是完(wán)全不同的變量(liàng)，而且函數🌈無法(fa)直接訪問其它(ta)函數中的變量(liàng)，這種限制訪問(wèn)保護了數據的(de)完整性，黑盒發(fa)生了什麽對主(zhǔ)調函數是不可(ke)🔴見的。

一個變量(liang)的有效範圍稱(cheng)作它的作用域(yu)，變量的作用域(yu)😘指可以通過變(biàn)量名稱引用變(bian)量的區域，在函(hán)數内部聲明的(de)⛷️變量💞隻在該函(hán)數内部有效。當(dang)主調函數調用(yong)子函數時，主函(han)數内聲明的變(bian)量在子函數内(nei)無效💋，子函數内(nei)聲明的變量也(yě)隻在該子函數(shù)🔱内部有效。

由于(yu)傳遞給函數的(de)是變量的替身(shen)，因此改變函數(shù)參👅數對原始變(bian)量沒有影響。當(dang)變量傳遞給函(hán)數時，變量的值(zhi)被複制給函數(shù)參數。由此可見(jiàn)，通過“傳值調用(yòng)”方式交換a、b的值(zhí)，無法改變主調(diào)函🙇‍♀️數相應變量(liàng)的值。

（2）傳址調用(yòng)

如果希望通過(guò)被調函數将更(geng)多的值傳回主(zhǔ)調函數而改🧑🏾‍🤝‍🧑🏼變(biàn)主調函數中的(de)變量，則使用“傳(chuán)址調用”——将&a、&b作爲(wèi)實參傳遞給形(xíng)參。其調用形式(shi)如下：
swap(&a, &b);

利用指針(zhēn)作爲函數參數(shu)傳遞數據的本(ben)質，就是在💃🏻主調(diao)⚽函數和被調函(han)數中，通過不同(tong)的指針指向同(tong)一内存地址訪(fang)問相同的内存(cún)區域，即它們背(bèi)後共享相同的(de)内存，從而實現(xiàn)數據的傳遞和(he)交換。

>>> 2. 函數原型(xíng)

函數原型是C語(yǔ)言的一個強有(you)力的工具，它讓(rang)編譯器🔅捕獲在(zài)使用函數時可(kě)能出現的許多(duo)錯誤或疏漏。如(rú)果編譯器沒有(you)發現😄這些問題(tí)，就很難察覺出(chu)來。函數原型包(bao)括函數返回值(zhí)的類型、函數名(ming)和形參列表（參(cān)數的數量和每(měi)個參數的類型(xing)），有了這些信息(xī)，編譯器就可以(yǐ)檢查函數調用(yong)與函數原型是(shi)否匹配？比如，參(cān)數的數量是否(fou)正确？參數的類(lèi)型是👈否匹配？如(ru)果類型不匹配(pèi)，編譯器會🔞将實(shí)參的類型轉換(huàn)成形參的類型(xing)。

（1）函數形參

通過(guo)程序清單 1.15可以(yǐ)看出，其相同的(de)處理部分是2個(ge)int類值的交換代(dài)碼，因此可以将(jiang)數據交換代碼(ma)移到🔴swap()函數的實(shí)現中，其可變的(de)數據由外部傳(chuán)進來的參數應(ying)對。由于&a是指向(xiàng)int類型變量a的指(zhǐ)針，&b是指向int類型(xing)變量b的指針，因(yin)此必須将p1、p2形參(cān)聲明爲指㊙️向int *類(lèi)型的指針變量(liang)，即必須将存儲(chu)int類型值變量的(de)地址作爲🥰實參(cān)賦給指🏃針💁形參(can)，實參與形參才(cai)能匹配。其函數(shu)原型進化如下(xia)：
swap(int *p1, int *p2);

（2）返回值的類型(xíng)

聲明函數時必(bì)須聲明函數的(de)類型，帶返回值(zhí)的函數類型應(ying)該與其返回值(zhi)類型相同，而沒(méi)有返回值的函(hán)數應🧑🏾‍🤝‍🧑🏼該聲明爲(wèi)void。類型聲明是函(hán)數定義的一部(bù)分，函數類型指(zhǐ)的是返👌回值的(de)類型，不是函數(shu)參數的類型。

雖(sui)然可以使用return返(fǎn)回值，但return隻能返(fan)回一個值給主(zhu)調函數。比如，如(ru)果返回值爲整(zhěng)數，則函數返回(hui)值的類型爲int。當(dang)返回值爲int類型(xíng)時，如果返回值(zhi)爲負數，則表示(shi)失敗；如果返回(huí)值爲㊙️非負數，則(zé)表示成功。當返(fan)回🌈值爲bool類型時(shí)，如果返回值爲(wèi)false，則表示失敗，如(ru)果返回值爲true，則(zé)表示成功。當返(fǎn)回值爲指針類(lei)型時，如果返回(huí)值爲NULL，則表💋示失(shi)敗，否則返回⭕一(yī)個有效的指針(zhēn)。

如果利用指針(zhen)作爲參數傳遞(di)給函數，不僅可(ke)以向函數傳⭕入(ru)數💯據，而且還可(kě)以從函數返回(huí)多個值。因爲函(han)🌈數的調用者和(he)函數都可以使(shi)用指向同一内(nèi)存地址🥰的指針(zhēn)，即使用同一塊(kuai)内存，所以使用(yòng)指針作爲函數(shu)參數時就✊是對(dui)同一數據進行(hang)讀寫操作🏃🏻‍♂️。這樣(yàng)不僅可以傳入(ru)數據，還可以通(tōng)過在函數内部(bù)🈲修改這些數據(jù)，将函數的結果(guo)傳出給調用者(zhe)。

當函數的實參(can)是指針變量時(shí)，有時希望函數(shu)能通過指針指(zhi)向别處的方式(shì)改變此變量，則(zé)需要使用指向(xiang)指針的指針作(zuò)🚩爲形參。

由于swap()無(wú)返回值，因此swap()返(fǎn)回值的類型爲(wei)void，其函數原型❗如(rú)下：
void swap(int *p1, int *p2);

其被解釋爲(wei)swap是返回void的函數(shù)（參數是int *p1，int *p2）。

這是一(yī)個不斷叠代優(you)化的過程，用戶(hù)隻需要知道“函(han)數名、傳入函數(shu)的參數和函數(shù)返回值的類型(xíng)”，就知道如何有(yǒu)效地調用相應(yīng)的函數。

>>> 3.  依賴倒(dǎo)置原則

在面向(xiang)過程編程中，通(tong)常的做法是高(gāo)層模塊調用低(dī)層模塊，其目的(de)之一就是要定(ding)義子程序層次(ci)結構。當高層模(mo)塊依賴于低🐇層(ceng)模塊時，對低層(ceng)模塊的✂️改動會(hui)直接影響高層(ceng)模塊，從而迫使(shi)它們依次做出(chu)修改。如果高層(ceng)模塊獨立于低(di)層模塊✏️，則高層(ceng)模塊更容易重(zhong)🌈用，這就是分❗層(ceng)架構設計的核(he)心原則，即依賴(lài)倒置原則（Dependence Inversion Principle，DIP）：

● 高層(ceng)模塊不應該依(yi)賴低層模塊，兩(liǎng)者都應該依賴(lai)于抽象接口；

● 抽(chōu)象接口不應該(gai)依賴于細節，細(xì)節應該依賴抽(chou)象接口。

當在分(fen)層架構中使用(yong)依賴倒置原則(ze)時，将會發現“不(bú)再存在分層”的(de)概念了。無論是(shì)高層還是低層(ceng)，它✌️們都依賴于(yú)抽象接♋口，好🛀🏻像(xiàng)将整個分層架(jià)構推平一樣。

其(qi)實從“Hello World”程序開始(shi)，我們就已經在(zài)使用stdio.h包含的“抽(chou)象接⛱️口”了🐇，即以(yi)後凡是用#include文件(jian)的擴展名叫.h（頭(tóu)文件）。如果源代(dài)碼✂️中要🌍用到🈲stdio标(biao)準輸入輸出函(han)數時，那麽就要(yao)包含這個頭文(wen)件，比♍如，“scanf("%d",&i);”函數，其(qí)目的是告訴編(bian)譯器要使用stdio庫(ku)。庫是一種工具(jù)的集合，這些工(gong)具是由其它程(chéng)序員💃🏻編寫的，用(yòng)于實現特定的(de)功能。盡管實現(xiàn)者無需關心用(yong)戶将如何使用(yòng)庫，且不會直接(jiē)開放源代碼給(gei)用戶使用，但🔞必(bi)須給用👌戶提供(gong)調用函數所需(xū)要的信息。顯然(rán)隻要将頭文件(jiàn)開放給用戶⛹🏻‍♀️，即(jí)可讓用戶了解(jiě)接口的所有🏃‍♂️細(xi)節，詳見程序清(qīng)單☎️ 1.16。

程序清單 1.16 swap數(shu)據交換接口（swap.h）
1     #ifndef  _SWAP_H
2     #define  _SWAP_H
3     // 前(qián)置條件：實參必(bì)須是int類型變量(liàng)的地址
4     // 後置條(tiáo)件：p1、p2作爲輸出參(can)數，改變主調函(han)數中相應的變(bian)量
5     void swap(int *p1, int *p2);
6     // 調用形式：swap(&a, &b)
7     #endif

其(qí)中，每個頭文件(jiàn)都指出了一個(gè)用戶可見的外(wài)部函數接口，主(zhu)要包括函數名(míng)、所需的參數、參(can)數的類型和返(fan)回結果的類型(xíng)。其中，swap是庫的名(ming)字，程序清單🆚 1.16（1~2）與(yǔ)（8）是幫🐪助編譯器(qi)記錄💋它所讀取(qu)的接口，當寫一(yī)個接口時，必須(xu)包含#ifndef、#define和#ednif。#include行部分(fèn)僅當接口本身(shen)需要其它庫時(shí)才使用，它由标(biāo)準的#include行組成。程(chéng)序清單 1.16（6）接口🔱項(xiang)表示庫輸出的(de)函數的原型👈、常(chang)量和類型等。不(bu)管你是否理解(jie)，這些行是接📞口(kou)的模闆文件，這(zhè)就是信息隐藏(cáng)。

>>> 4. 前/後置條件

處(chù)理信息隐藏還(hái)涉及到另一個(ge)技術，那就是使(shǐ)用前置條件和(hé)後置條件描述(shù)函數的行爲。在(zài)編寫一個完整(zhěng)的❤️函數定義🌐時(shí)，需要描述該函(hán)數是如何執行(hang)計算的。但在使(shǐ)用函數時，隻需(xu)考慮該函數能(néng)做什麽，無需知(zhī)道是如何完成(chéng)的。當不知道函(hán)數是如📱何實現(xian)時，就是在使用(yòng)一💋種名爲過程(chéng)抽象的信息隐(yin)藏形式，它抽象(xiàng)掉的是函數如(ru)何工作的細😘節(jie)。計算機科學家(jiā)使用“過程”表示(shi)任意指令集，因(yīn)此使用術語過(guò)程抽象。過程❤️抽(chōu)象是一種強大(dà)的工具，使得我(wo)們一次隻考慮(lǜ)一個而不是所(suo)有的函數，從而(er)使問題求解簡(jian)單化。

爲了使描(miáo)述更準确，則需(xu)要遵循固定的(de)格式，它包含兩(liang)部分信🌂息：函數(shù)的前置條件和(hé)後置條件。前置(zhi)條件就是📧調用(yong)該函🐕數必須成(cheng)立的條件，當函(han)數被調用時🎯，該(gai)語句給出要求(qiu)爲真🏃🏻‍♂️的條件❄️。除(chu)非前置條件爲(wèi)真，否則無法保(bao)📞證函數能正确(que)執行。在調用swap()函(hán)🚶數時，實參必須(xū)是int類型變量的(de)地址，這是調用(yòng)者的🌈職責。通常(chang)在函數開始處(chu)檢查🌏是否滿足(zu)？如果不滿足，說(shuō)明調用代碼有(yǒu)問題，抛出一個(gè)異常。

後置條件(jian)就是該操作完(wán)成後必須成立(lì)的條件，當函數(shù)調用時，如果函(han)數是正确的，而(er)且前置條件爲(wèi)🌈真，那麽該函數(shu)調用将可以執(zhí)行完成。當函數(shu)調用完成後，後(hòu)置條件爲真。如(ru)果不滿足後置(zhi)條件，則說明業(ye)務邏輯有問題(tí)。

當滿足調用swap()函(han)數的前置條件(jiàn)時，必須同時确(què)保其結束時滿(man)足它的後置條(tiao)件，其後置條件(jian)是被調函數将(jiāng)💋返回😍值傳回主(zhǔ)調函數，改變主(zhǔ)調函數中變量(liang)的值。

前後置條(tiao)件不隻是概括(kuò)地描述函數的(de)行爲，聲明🌈這些(xie)條件應該是設(shè)計任何函數的(de)第一步。在開始(shǐ)考慮某個函數(shù)的算法和代碼(ma)之前，應該寫出(chu)該函數的原型(xing)，其中包括函數(shu)的返回類型、名(míng)稱和參數列表(biao)，最後緊跟一個(ge)㊙️分号。直接來自(zì)于用戶的輸入(ru)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼不能作爲前置(zhì)條件，通常💰前/後(hòu)置條件都可以(yǐ)轉化爲assert語句。編(biān)寫函💁數原型時(shi)，應該以注釋的(de)形式描述該函(hán)數的前置條件(jian)和後置條件。

事(shì)實上，前置條件(jian)和後置條件在(zài)使用函數的程(chéng)序員和編寫函(han)數的程序員之(zhī)間形成了一個(gè)契約，也就是🌈爲(wèi)什麽需☁️要這📧個(gè)函❗數？接口通過(guò)前置條件和😘後(hou)置條件以契約(yuē)的形😍式表達需(xu)求，承諾在滿足(zú)前置條件時🥰開(kāi)始，按照程序的(de)流程運行，系❌統(tong)就能到💰達後置(zhi)條件。

雖然注釋(shì)是一種很好的(de)溝通形式，但在(zài)代碼可以傳遞(di)意圖的地方不(bu)要寫注釋。因爲(wei)代碼解釋做了(le)什麽，再注釋也(ye)沒有什麽用處(chu)，相反注釋要說(shuo)明爲什麽會👨‍❤️‍👨這(zhè)樣寫代碼？

>>> 5. 開閉(bì)原則

接口僅需(xu)指明用戶調用(yong)程序可能調用(yòng)的标識符，應盡(jin)可能地将算法(fa)以及一些與具(ju)體的實現細節(jiē)無關的信息隐(yǐn)📐藏起來，這樣用(yong)戶在調用程序(xu)時也就不必依(yī)賴特定的實現(xian)細節了。當接口(kou)一旦發布後，也(ye)就不能改變了(le)，因爲改變接口(kǒu)勢必引起用戶(hu)🌈程序的改變。如(ru)果此前定☀️義的(de)接口滿足不了(le)需求💯，怎麽辦？隻(zhī)能擴展新的接(jiē)口，但不能修改(gǎi)或廢除原有的(de)接口，這就是“對(dui)修改關閉，對擴(kuo)展開放”的開閉(bì)原則（Open-Closed Princple，OCP）。顯然，依賴(lài)倒置🥰原則更加(jia)精确的定義就(jiu)是面向接口的(de)編程，它是實現(xian)開閉原則的重(zhong)要途徑。如果DIP依(yi)賴倒置原則沒(méi)有實❄️現，就别想(xiang)實現對擴展開(kāi)放，對修改關💃🏻閉(bì)。