周立功教你學(xué)程序設(shè)計技術(shù)：做好軟件模塊的分層設(shè)計，回調(diào)函數(shù)要這樣寫

>>>>2.1.3 回調(diào)函數(shù)

>>>1.分層設(shè)計

分層設(shè)計就是將軟件分成具有某種上下級關(guān)系的模塊，由于每一層都是相對獨立的，因此只要定義好層與層之間的接口，從而每層都可以單獨實現(xiàn)。比如，設(shè)計一個保險箱電子密碼鎖，其硬件部分大致包括鍵盤、顯示器、蜂鳴器、鎖與存儲器等驅(qū)動電路，因此根據(jù)需求將軟件劃分為硬件驅(qū)動層、虛擬層與應(yīng)用層三大模塊，當(dāng)然每個大模塊又可以劃分為幾個小模塊，下面將以鍵盤掃描為例予以說明。

（1）硬件驅(qū)動層

硬件驅(qū)動層處于模塊的最底層，直接與硬件打交道。其任務(wù)是識別哪個鍵按下了，實現(xiàn)與硬件電路緊密相關(guān)的部分軟件，更高級的功能將在其它層實現(xiàn)。雖然通過硬件驅(qū)動層可以直達(dá)應(yīng)用層，由于硬件電路變化多樣，如果應(yīng)用層直接操作硬件驅(qū)動層，則應(yīng)用層勢必依賴于硬件層，則最好的方法是增加一個虛擬層應(yīng)對硬件的變化。顯然，只要鍵盤掃描的方法不變，則產(chǎn)生的鍵值始終保持不變，那么虛擬層的軟件也永遠(yuǎn)不會改變。

（2）虛擬層

它是依據(jù)應(yīng)用層的需求劃分的，主要用于屏蔽對象的細(xì)節(jié)和變化，則應(yīng)用層就可以用統(tǒng)一的方法來實現(xiàn)了。即便控制方法改變了，也無需重新編寫應(yīng)用層的代碼。

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層處于模塊的最上層，直接用于功能的實現(xiàn)，比如，應(yīng)用層對外只有一個“人機(jī)交互”模塊，當(dāng)然內(nèi)部還可以劃分幾個模塊供自己使用。三層之間數(shù)據(jù)傳遞的關(guān)系非常清晰，即應(yīng)用層->虛擬層->硬件驅(qū)動層，詳見圖 2.2，圖中的實線代表依賴關(guān)系，即應(yīng)用層依賴于虛擬層，虛擬層依賴于硬件驅(qū)動層?；诜謱拥募軜?gòu)具有以下優(yōu)點：

• 降低系統(tǒng)的復(fù)雜度：由于每層都是相對獨立的，層與層之間通過定義良好接口交互，每層都可以單獨實現(xiàn)，從而降低了模塊之間的耦合度；

• 隔離變化：軟件的變化通常發(fā)生在最上層與最下層，最上層是圖形用戶界面，需求的變化通常直接影響用戶界面，大部分軟件的新老版本在用戶界面上都會有很大差異。最下層是硬件，硬件的變化比軟件的發(fā)展更快，通過分層設(shè)計可以將這些變化的部分獨立開來，讓它們的變化不會給其它部分帶來大的影響；

• 有利于自動測試：由于每一層具有獨立的功能，則更易于編寫測試用例；

• 有利于提高程序的可移植性：通過分層設(shè)計將各種平臺不同的部分放在獨立的層里。比如，下層模塊是對操作系統(tǒng)提供的接口進(jìn)行包裝的包裝層，上層是針對不同平臺所實現(xiàn)的圖形用戶界面。當(dāng)移植到不同的平臺時，只需要實現(xiàn)不同的部分，而中間層都可以重用。

圖 2.2 三層結(jié)構(gòu)示意

應(yīng)用層處于模塊的最上層，直接用于功能的實現(xiàn)，比如，應(yīng)用層對外只有一個“人機(jī)交互”模塊，當(dāng)然內(nèi)部還可以劃分幾個模塊供自己使用。三層之間數(shù)據(jù)傳遞的關(guān)系非常清晰，即應(yīng)用層->虛擬層->硬件驅(qū)動層，詳見圖 2.2，圖中的實線代表依賴關(guān)系，即應(yīng)用層依賴于虛擬層，虛擬層依賴于硬件驅(qū)動層?；诜謱拥募軜?gòu)具有以下優(yōu)點：

• 降低系統(tǒng)的復(fù)雜度：由于每層都是相對獨立的，層與層之間通過定義良好接口交互，每層都可以單獨實現(xiàn)，從而降低了模塊之間的耦合度；

• 隔離變化：軟件的變化通常發(fā)生在最上層與最下層，最上層是圖形用戶界面，需求的變化通常直接影響用戶界面，大部分軟件的新老版本在用戶界面上都會有很大差異。最下層是硬件，硬件的變化比軟件的發(fā)展更快，通過分層設(shè)計可以將這些變化的部分獨立開來，讓它們的變化不會給其它部分帶來大的影響；

• 有利于自動測試：由于每一層具有獨立的功能，則更易于編寫測試用例；

• 有利于提高程序的可移植性：通過分層設(shè)計將各種平臺不同的部分放在獨立的層里。比如，下層模塊是對操作系統(tǒng)提供的接口進(jìn)行包裝的包裝層，上層是針對不同平臺所實現(xiàn)的圖形用戶界面。當(dāng)移植到不同的平臺時，只需要實現(xiàn)不同的部分，而中間層都可以重用。

>>>2.隔離變化

（1）好萊塢原則（Hollywood）

類似鍵盤掃描這樣的模塊，其共性是各層之間的調(diào)用關(guān)系，不可能隨著時間而改變，即便上下層之間形成依賴關(guān)系，采用直接調(diào)用方式是最簡單的。為了降低層與層之間的耦合，層與層之間的通信必須按照一定的規(guī)則進(jìn)行。即上層可以直接調(diào)用下層提供的函數(shù)，但下層不能直接調(diào)用上層提供的函數(shù)，且層與層之間絕對不能循環(huán)調(diào)用。因為層與層之間的循環(huán)依賴會嚴(yán)重妨礙軟件的復(fù)用性和可擴(kuò)展性，使得系統(tǒng)中的每一層都無法獨立構(gòu)成一個可復(fù)用的組件。雖然上層也可以調(diào)用相鄰下層提供的函數(shù)，但不能跨層調(diào)用。即下層模塊實現(xiàn)了在上層模塊中聲明并被高層模塊調(diào)用的接口，這就是著名的好萊塢（Hollywood）擴(kuò)展原則：“不要調(diào)用我，讓我調(diào)用你。”當(dāng)下層需要傳遞數(shù)據(jù)給上層時，則采用回調(diào)函數(shù)指針接口隔離變化。通過倒置依賴的接口所有權(quán)，創(chuàng)建了一個更靈活、更持久和更易于修改的結(jié)構(gòu)。

實際上，由上層模塊（即調(diào)用者）提供的回調(diào)函數(shù)的表現(xiàn)形式就是在下層模塊中通過函數(shù)指針調(diào)用另一個函數(shù)，即將回調(diào)函數(shù)的地址作為實參初始化下層模塊的形參，由下層模塊在某個時刻調(diào)用這個函數(shù)，這個函數(shù)就是回調(diào)函數(shù)，詳見圖 2.3。其調(diào)用方式有兩種：

• 在上層模塊A調(diào)用下層模塊B的函數(shù)中，直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)C；

• 使用注冊的方式，當(dāng)某個事件發(fā)生時，下層模塊調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

圖 2.3 回調(diào)函數(shù)的使用

在初始化時，上層模塊A將回調(diào)函數(shù)C的地址作為實參傳遞給下層模塊B。在運行中，當(dāng)下層模塊需要與上層模塊通信時，調(diào)用這個回調(diào)函數(shù)。其調(diào)用方式為A→B→C，上層模塊A調(diào)用下層模塊B，在B的執(zhí)行過程中，調(diào)用回調(diào)函數(shù)將信息返回給上層模塊。對于上層模塊來說，C不僅監(jiān)視B的運行狀態(tài)，而且干預(yù)B的運行，其本質(zhì)上依然是上層模塊調(diào)用下層模塊。由于增加了回調(diào)函數(shù)，即可在運行中實現(xiàn)動態(tài)綁定，下面將以標(biāo)準(zhǔn)的冒泡排序函數(shù)對一個任意類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序為例予以說明。

（2）數(shù)據(jù)比較函數(shù)

假設(shè)待排序的數(shù)據(jù)為int型，即可通過比較相鄰數(shù)據(jù)的大小，做出是否交換數(shù)據(jù)的處理。當(dāng)給定兩個指向int型變量的指針e1和e2時，則比較函數(shù)返回一個數(shù)。如果*e1小于*e2，那么返回的數(shù)為負(fù)數(shù)；如果*e1大于*e2，那么返回的數(shù)為正數(shù)；如果*e1等于*e2，那么返回的數(shù)為0，詳見程序清單 2.4。

程序清單2.4 compare_int()數(shù)據(jù)比較函數(shù)

由于任何數(shù)據(jù)類型的指針都可以給void*指針賦值，因此可以利用這一特性，將void*指針作為數(shù)據(jù)比較函數(shù)的形參。當(dāng)函數(shù)的形參聲明為void *類型時，雖然bubbleSort()冒泡排序函數(shù)內(nèi)部不知道調(diào)用者會傳遞什么類型的數(shù)據(jù)過來，但調(diào)用者知道數(shù)據(jù)的類型和對數(shù)據(jù)的操作方法，那就由調(diào)用者編寫數(shù)據(jù)比較函數(shù)。

由于在運行時調(diào)用者要根據(jù)實際情況才能決定調(diào)用哪個數(shù)據(jù)比較函數(shù)，因此根據(jù)比較操作的要求，其函數(shù)原型如下：

其中的e1、e2是指向2個需要進(jìn)行比較的值的指針。當(dāng)返回值< 0時，表示e1 < e2；當(dāng)返回值= 0時，表示e1 = e2；當(dāng)返回值> 0時，表示e1 > e2。

當(dāng)用typedef聲明后，COMPARE就成了函數(shù)指針類型，有了類型就可以定義該類型的函數(shù)指針變量。比如：

此時，只要將函數(shù)名（比如，compare_int）作為實參初始化函數(shù)的形參，即可調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)比較函數(shù)。比如：

雖然編譯器看到的是一個compare，但調(diào)用者實現(xiàn)了多種不同類型的compare，即可根據(jù)接口函數(shù)中的類型改變函數(shù)的行為方式，通用數(shù)據(jù)比較函數(shù)的實現(xiàn)詳見程序清單 2.5。

程序清單 2.5 compare數(shù)據(jù)比較函數(shù)的實現(xiàn)

注意，如果e1是很大的正數(shù)，而e2是大負(fù)數(shù)，或者相反，則計算結(jié)果可能會溢出。由于這里假設(shè)它們都是正整數(shù)，從而避免了風(fēng)險。

由于該函數(shù)的參數(shù)聲明為void *類型，因此數(shù)據(jù)比較函數(shù)不再依賴于具體的數(shù)據(jù)類型。即可將算法的變化部分獨立出來，無論是升序還是降序或字符串比較完全取決于回調(diào)函數(shù)。注意，之所以不能直接用strcmp()作為字符串的比較，因為bubbleSort()傳遞的是類型為char **的數(shù)組元素的地址&array[i]，而不是類型為char*的array[i]。

（3）bubbleSort()冒泡排序函數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)bubbleSort()是C中使用函數(shù)指針的經(jīng)典示例，該函數(shù)是對一個具有任意類型的數(shù)組進(jìn)行排序，其中單個元素的大小和要比較的元素的函數(shù)都是給定的。其原型初定如下：

既然bubbleSort()是對數(shù)組中的數(shù)據(jù)排序，那么bubbleSort()必須有一個參數(shù)保存數(shù)組的起始地址，且還有一個參數(shù)保存數(shù)組中元素的個數(shù)。為了通用還是在數(shù)組中存放void *類型的元素，這樣一來就可以用數(shù)組存儲用戶傳入的任意類型的數(shù)據(jù)，因此用void *類型參數(shù)保存數(shù)組的起始地址。其函數(shù)原型如下：

由于數(shù)組的類型是未知的，那么數(shù)組中元素的長度也是未知的，同樣也需要一個參數(shù)來保存。其函數(shù)原型進(jìn)化為：

其中，size_t是C標(biāo)準(zhǔn)庫中預(yù)定義的類型，專門用于保存變量的大小。參數(shù)base和nmemb標(biāo)識了這個數(shù)組，分別用于保存數(shù)組的起始地址和數(shù)組中元素的個數(shù)，size存儲的是打包時單個元素的大小。

此時，如果將指向compare()的指針作為參數(shù)傳遞給bubbleSort()，即可“回調(diào)”compare()進(jìn)行值的比較。由于排序是對數(shù)據(jù)的操作，因此bubbleSort()沒有返回值，其類型為void，bubbleSort()函數(shù)接口詳見程序清單 2.6。

程序清單2.6bubbleSort()冒泡排序函數(shù)接口（bubbleSort.h）

雖然大多數(shù)初學(xué)者也會選擇回調(diào)函數(shù)，但又經(jīng)常用全局變量保存中間數(shù)據(jù)。這里提出的解決方法就是給回調(diào)函數(shù)傳遞一個稱為“回調(diào)函數(shù)上下文”的參數(shù)，其變量名為base。為了能接受任何數(shù)據(jù)類型，選擇void *表示這個上下文?！吧舷挛摹钡囊馑季褪钦f，如果傳進(jìn)來的是int類型值，則回調(diào)int型數(shù)據(jù)比較函數(shù)；如果傳進(jìn)來的是字符串，則回調(diào)字符串比較函數(shù)。

當(dāng)bubbleSort()將base聲明為一個void *類型時，即允許bubbleSort()用相同的代碼支持不同類型的數(shù)據(jù)比較實現(xiàn)排序，其關(guān)鍵之處是type類型域，它允許在運行時根據(jù)數(shù)據(jù)的類型調(diào)用不同的函數(shù)。這種在運行時根據(jù)數(shù)據(jù)的類型將函數(shù)體與函數(shù)調(diào)用相關(guān)聯(lián)的行為稱為動態(tài)綁定，因此將一個函數(shù)的綁定發(fā)生在運行時而非編譯期，就稱該函數(shù)是多態(tài)的。顯然，多態(tài)是一種運行時綁定機(jī)制，其目的是將函數(shù)名綁定到函數(shù)的實現(xiàn)代碼。一個函數(shù)的名字與其入口地址是緊密相連的，入口地址是該函數(shù)在內(nèi)存中的起始地址，因此多態(tài)就是將函數(shù)名動態(tài)地綁定到函數(shù)入口地址的運行時綁定機(jī)制，bubbleSort()的接口與實現(xiàn)詳見程序清單 2.7和程序清單 2.8。

程序清單2.7bubbleSort()接口（bubbleSort.h）

程序清單2.8bubbleSort()接口的實現(xiàn)（bubbleSort.c）

靜態(tài)類型和動態(tài)類型

類型的靜態(tài)和動態(tài)指的是名字與類型綁定的時間，如果所有的變量和表達(dá)式的類型在編譯時就固定了，則稱之為靜態(tài)綁定；如果所有的變量和表達(dá)式的類型直到運行時才知道，則稱之為動態(tài)綁定。

假設(shè)要實現(xiàn)一個用于任意數(shù)據(jù)類型的冒泡排序函數(shù)并簡單測試，其要求是同一個函數(shù)既可以從大到小排列，也可以從小到大排列，且同時支持多種數(shù)據(jù)類型。比如：

顯然，只要將比較函數(shù)的入口地址compare_int傳遞給compare，即可調(diào)用bubbleSort()：

bubbleSort(array, numArray , sizeof(array[0]), compare_int);

在數(shù)量不大時，所有排序算法性能差別不大，因為高級算法只有在元素個數(shù)多于1000時，性能才出現(xiàn)顯著提升。其實90%以上的情況下，我們存儲的元素個數(shù)只有幾十到幾百個，冒泡排序可能是更好的選擇，bubbleSort()的實現(xiàn)與使用范例程序詳見程序清單 2.9。

程序清單 2.9 bubbleSort()冒泡排序范例程序

由此可見，調(diào)用者main()與compare_int()回調(diào)函數(shù)都同屬于上層模塊，bubbleSort()屬于下層模塊。當(dāng)上層模塊調(diào)用下層模塊bubbleSort()時，將回調(diào)函數(shù)的地址compare_int作為參數(shù)傳遞給bubbleSort()，進(jìn)而調(diào)用compare_int()。顯然，使用參數(shù)傳遞回調(diào)函數(shù)的方式，下層模塊不必知道需要調(diào)用上層模塊的哪個函數(shù)，從而減少了上下層之間的聯(lián)系，這樣上下層可以獨立修改，而不影響另一層代碼的實現(xiàn)。這樣一來，在每次調(diào)用bubbleSort()時，只要給出不同的函數(shù)名作為實參，則bubbleSort()不必做任何修改。

使用回調(diào)函數(shù)的最大優(yōu)點就是便于軟件模塊的分層設(shè)計，降低軟件模塊之間的耦合度。即回調(diào)函數(shù)可以將調(diào)用者與被調(diào)用者隔離，調(diào)用者無需關(guān)心誰是被調(diào)用者。當(dāng)特定的事件或條件發(fā)生時，調(diào)用者將使用函數(shù)指針調(diào)用回調(diào)函數(shù)對事件進(jìn)行處理。