模塊化程序設(shè)計-2

人們常把程序稱為計算機的靈魂。1976年瑞士計算機科學家Niklaus Wirth在他的驚世之作中提出了一個著名的公式：

程序 = 算法 + 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

從今天的觀點來看，它只能是對過程化程序的一個抽象定義，對面向?qū)ο蟮某绦蚨詣t不盡然。不過對我們學習C語言這樣的面向過程的程序設(shè)計語言而言，是完全適用的。同時，C語言也能實現(xiàn)封裝、繼承、多態(tài)等面向?qū)ο箫L格的編程。從個人經(jīng)驗來看，當我理解用C語言編寫面向?qū)ο蟮娘L格的編程案例后，面向?qū)ο缶幊讨凶屓嗣曰蟮哪切┏跏蓟his、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程編程常用的模塊兒化程序設(shè)計思想。

圖1 實現(xiàn)虛擬機原理

1、我們在計算機“大樓”的第幾層

計算機這個大樓的基礎(chǔ)是量子力學及半導體物理，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)可以用繼電器的開關(guān)電路實現(xiàn)之后，隨著晶體管的發(fā)明，計算機的電路才有可能微型化。計算硬件電路完成以后，還需要軟件的支持，對程序語言的需求就凸顯出來，最早的機器語言及匯編語言，后來慢慢出現(xiàn)的C, C++這樣的高級語言等非常適合系統(tǒng)級編程，也是近距離觀看和理解編程思想有效手段之一。

圖2 計算機“大樓”的層次

在圖2中各層具體含義為：1F量子力學、2F晶體管、3F邏輯電路、4F計算機體系結(jié)構(gòu)、5F匯編語言、6F高級語言、7F應(yīng)用程序。從這點可以看出，作為高級語言的C/C++在第六層（6F）。其中第三層（3F邏輯電路，即布爾代數(shù)可以用繼電器的開關(guān)電路實現(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)文章中進一步討論。

2、模塊兒化程序設(shè)計

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

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

(2)允許通過使用不同存儲類別的變量，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。

無論涉及的問題是復雜還是簡單，規(guī)模是大還是小，用C語言設(shè)計程序，任務(wù)只有一種，就是編寫函數(shù)，至少也要編寫一個main()函數(shù)。對新手來說，無論面向過程還是面向?qū)ο蟮木幊?，最終的難點在于函數(shù)編寫（一般在面向?qū)ο缶幊讨薪凶龇椒ǎ?。因此?strong>編寫程序關(guān)鍵點在于將復雜問題分解成多個函數(shù)或?qū)ο蠛?，逐步編寫其中的運算操作語句和流程控制語句。

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)的第一個前花括號開始，依次執(zhí)行后面的語句，直到最后的后花括號為止。其它函數(shù)只有在執(zhí)行main()函數(shù)的過程中被調(diào)用時才執(zhí)行。如圖3所示：

圖3 將功能改為函數(shù)的過程

3、重新理解編程中的函數(shù)

高級語言中“函數(shù)”的概念和數(shù)學中“函數(shù)”的概念不完全相同。在英語中“函數(shù)”與“功能”是同一個單詞即function。高級語言中的“函數(shù)”實際上是“功能”的意思。當需要完成某一個功能時，就用一個函數(shù)（可以是標準庫函數(shù)或自己設(shè)計的函數(shù)）去實現(xiàn)它。在進行程序設(shè)計時，我們先集中考慮main()函數(shù)中的算法（相當于做事情前后順序和處理步驟）。當main()中需要使用某一功能時，我們就先寫上一個調(diào)用具有該功能的函數(shù)的表達式（或后綴為括號的具體函數(shù)名稱）。這時的函數(shù)相當于一個黑盒子，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而是數(shù)據(jù)（當然信號也能用數(shù)據(jù)標識）。

如同設(shè)計一部機器一樣，當需要在某處使用一個部件時，我們就先把它畫上，并標明它的功能以及安裝方法，至于如何制造先不用考慮，因為也許它可以直接購買來。設(shè)計完main()的算法并檢驗無誤后，我們開始考慮它所調(diào)用的函數(shù)。在這些被調(diào)用的函數(shù)中，若在庫函數(shù)中可以找到（像制造機器時，庫房中已有的零部件），那就直接使用，否則再動手設(shè)計這些函數(shù)。這樣設(shè)計的程序從邏輯關(guān)系上就形成圖5所示的層次結(jié)構(gòu)。

圖5 C語言程序的層次結(jié)構(gòu)

這個層次結(jié)構(gòu)的形成是自頂向下的。這種方法稱為自頂向下、逐步細化的程序設(shè)計方法。這種方法允許人在進行程序設(shè)計時， 每個階段都能集中精力解決只屬于當前模塊的算法，暫不考慮與之無關(guān)的細節(jié)， 從而能保證每個階段所考慮的問題都是易于解決的，設(shè)計出來的程序成功率高，而且程序?qū)哟畏置鳌⒔Y(jié)構(gòu)清晰。

4、結(jié)束語

函數(shù)不僅代表功能，也可以代表人或其他任何對象的抽象。一個部門的組織架構(gòu)也用一個C語言多層次函數(shù)來描述。一個職責和任務(wù)沒有劃分清楚組織架構(gòu)就像一個設(shè)計不合格的程序結(jié)構(gòu)。許多大型軟件系統(tǒng)包含了相當豐富的功能，意味著需要編寫相當數(shù)量的函數(shù)來實現(xiàn)可供從事某種領(lǐng)域工作的人員使用。比如說，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)電機組等。為了建設(shè)方方便，我們也可以將部分功能放到機房工程模塊里。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、可擴展性和靈活性。