【編程之美】模塊化編程到底有多重要

引言

我們在一個(gè)項(xiàng)目小組做一個(gè)相對較復(fù)雜的工程時(shí)，意味著你不再獨(dú)自單干。而是和小組成員分工合作，這就要求小組成員各自負(fù)責(zé)一部分工程。比如你可能只是負(fù)責(zé)通訊或者顯示這一塊。這個(gè)時(shí)候，你就應(yīng)該將自己的這一塊程序?qū)懗梢粋€(gè)模塊，單獨(dú)調(diào)試，留出接口供其它模塊調(diào)用。最后，小組成員都將自己負(fù)責(zé)的模塊寫完并調(diào)試無誤后，由項(xiàng)目組長進(jìn)行組合調(diào)試。像這些場合就要求程序必須模塊化。模塊化的好處是很多的，不僅僅是便于分工，它還有助于程序的調(diào)試，有利于程序結(jié)構(gòu)的劃分，還能增加程序的可讀性和可移植性。

要說的話

初學(xué)者往往搞不懂如何模塊化編程,其實(shí)它是簡單易學(xué),而且又是組織良好程序結(jié)構(gòu)行之有效的方法之一。本文將先大概講一下模塊化的方法和注意事項(xiàng)，最后將以初學(xué)者使用最廣的keil c編譯器為例，給出模塊化編程的詳細(xì)步驟。

模塊化程序設(shè)計(jì)應(yīng)該理解以下概述:

模塊即是一個(gè).c 文件和一個(gè).h 文件的結(jié)合，頭文件(.h)中是對于該模塊接口的聲明；

這一條概括了模塊化的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)質(zhì)：將一個(gè)功能模塊的代碼單獨(dú)編寫成一個(gè).c文件,然后把該模塊的接口函數(shù)放在.h文件中.舉例:假如你用到液晶顯示，那么你可能會(huì)寫一個(gè)液晶驅(qū)動(dòng)模塊，以實(shí)現(xiàn)字符、漢字和圖像的現(xiàn)實(shí)，命名為: led_device.c，該模塊的.c文件大體可以寫成:

#include …
…
//定義變量
 unsigned char value；//全局變量
…
//定義函數(shù)
//這是本模塊第一個(gè)函數(shù),起到延時(shí)作用,只供本模塊的函數(shù)調(diào)用,所以用到static關(guān)鍵字修飾
/********************延時(shí)子程序************************/
static void delay (uint us) //delay time
{}
//這是本模塊的第二個(gè)函數(shù),要在其他模塊中調(diào)用
/*********************寫字符程序**************************
** 功能：向LCD寫入字符
** 參數(shù)：dat_comm 為1寫入的是數(shù)據(jù)，為0寫入的是指令
content 為寫入的數(shù)字或指令
******************************************************/
void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)
{}
……
……
/***************************** END Files***********************************/

注： 此處只寫出這兩個(gè)函數(shù),第一個(gè)延時(shí)函數(shù)的作用范圍是模塊內(nèi),第二個(gè)，它是其它模塊需要的。為了簡化,此處并沒有寫出函數(shù)體.

.h文件中給出模塊的接口.在上面的例子中, 向LCD寫入字符函數(shù)：wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)就是一個(gè)接口函數(shù),因?yàn)槠渌K會(huì)調(diào)用它,那么.h文件中就必須將這個(gè)函數(shù)聲明為外部函數(shù)（使用extrun關(guān)鍵字修飾），另一個(gè)延時(shí)函數(shù)：void delay (uint us)只是在本模塊中使用（本地函數(shù)，用static關(guān)鍵字修飾），因此它是不需要放到.h文件中的。

.h文件格式如下：

//聲明全局變量
extern unsigned char value；
//聲明接口函數(shù)
extern void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content); //向LCD寫入字符
……
/***************************** END Files***********************************/

這里注意三點(diǎn):

1. 在keil 編譯器中，extern這個(gè)關(guān)鍵字即使不聲明,編譯器也不會(huì)報(bào)錯(cuò),且程序運(yùn)行良好,但不保證使用其它編譯器也如此。強(qiáng)烈建議加上，養(yǎng)成良好的編程規(guī)范。

2. .c文件中的函數(shù)只有其它模塊使用時(shí)才會(huì)出現(xiàn)在.h文件中,像本地延時(shí)函數(shù)static void delay (uint us)即使出現(xiàn)在.h文件中也是在做無用功,因?yàn)槠渌K根本不去調(diào)用它,實(shí)際上也調(diào)用不了它(static關(guān)鍵字的限制作用)。

3. 注意本句最后一定要加分號(hào)”;”,相信有不少同學(xué)遇到過這個(gè)奇怪的編譯器報(bào)錯(cuò): error C132: 'xxxx': not in formal parameter list，這個(gè)錯(cuò)誤其實(shí)是.h的函數(shù)聲明的最后少了分號(hào)的緣故。

模塊的應(yīng)用： 假如需要在LCD菜單模塊lcd_menu.c中使用液晶驅(qū)動(dòng)模塊lcd_device.c中的函數(shù)void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content),只需在LCD菜單模塊的lcd_menu.c文件中加入液晶驅(qū)動(dòng)模塊的頭文件lcd_device.h即可.

#include“l(fā)cd_device.h //包含液晶驅(qū)動(dòng)程序頭文件，之后就可以在該.c文件中調(diào)用//lcd_device.h中的全局函數(shù)，使用液晶驅(qū)動(dòng)程序里的全局//變量（如果有的話）。
…
//調(diào)用向LCD寫入字符函數(shù)
wr_lcd (0x01,0x30)；
…
//對全局變量賦值
value=0xff；
…

某模塊提供給其它模塊調(diào)用的外部函數(shù)及數(shù)據(jù)需在.h 中文件中冠以extern 關(guān)鍵字聲明；

這句話在上面的例子中已經(jīng)有體現(xiàn)，即某模塊提供給其它模塊調(diào)用的外部函數(shù)和全局變量需在.h 中文件中冠以extern 關(guān)鍵字聲明，下面重點(diǎn)說一下全局變量的使用。使用模塊化編程的一個(gè)難點(diǎn)（相對于新手）就是全局變量的設(shè)定，初學(xué)者往往很難想通模塊與模塊公用的變量是如何實(shí)現(xiàn)的，常規(guī)的做法就是本句提到的，在.h文件中外部數(shù)據(jù)冠以extern關(guān)鍵字聲明。比如上例的變量value就是一個(gè)全局變量，若是某個(gè)模塊也使用這個(gè)變量，則和使用外部函數(shù)一樣，只需在使用的模塊.c文件中包含#include“l(fā)cd_device.h”即可。

另一種處理模塊間全局變量的方法來自于嵌入式操作系統(tǒng)uCOS-II，這個(gè)操作系統(tǒng)處理全局變量的方法比較特殊，也比較難以理解，但學(xué)會(huì)之后妙用無窮，這個(gè)方法只需用在頭文件中定義一次。方法為：

在定義所有全局變量（uCOS-II將所有全局變量定義在一個(gè).h文件內(nèi)）的.h頭文件中：

#ifdef xxx_GLOBALS
#define xxx_EXT
#else
#define xxx_EXT extern
#endif

.H 文件中每個(gè)全局變量都加上了xxx_EXT的前綴。xxx 代表模塊的名字。

該模塊的.C文件中有以下定義：

#define xxx_GLOBALS
#include "includes.h"

當(dāng)編譯器處理.C文件時(shí)，它強(qiáng)制xxx_EXT（在相應(yīng).H文件中可以找到）為空，（因?yàn)閤xx_GLOBALS已經(jīng)定義）。所以編譯器給每個(gè)全局變量分配內(nèi)存空間，而當(dāng)編譯器處理其他.C 文件時(shí)，xxx_GLOBAL沒有定義，xxx_EXT 被定義為extern，這樣用戶就可以調(diào)用外部全局變量。為了說明這個(gè)概念，可以參見uC/OS_II.H,其中包括以下定義：

#ifdef OS_GLOBALS
#define OS_EXT
#else
#define OS_EXT extern
#endif
OS_EXT INT32U OSIdleCtr;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrRun;
OS_EXT INT32U OSIdleCtrMax;

同時(shí)，uCOS_II.H 中有以下定義：

#define OS_GLOBALS

#include “includes.h”

當(dāng)編譯器處理uCOS_II.C 時(shí)，它使得頭文件變成如下所示，因?yàn)镺S_EXT 被設(shè)置為空。

INT32U OSIdleCtr;

INT32U OSIdleCtrRun;

INT32U OSIdleCtrMax;

這樣編譯器就會(huì)將這些全局變量分配在內(nèi)存中。當(dāng)編譯器處理其他.C 文件時(shí)，頭文件變成了如下的樣子，因?yàn)镺S_GLOBAL沒有定義，所以O(shè)S_EXT 被定義為extern。

extern INT32U OSIdleCtr;

extern INT32U OSIdleCtrRun;

extern INT32U OSIdleCtrMax;

在這種情況下，不產(chǎn)生內(nèi)存分配，而任何 .C文件都可以使用這些變量。這樣的就只需在 .H文件中定義一次就可以了。

模塊內(nèi)的函數(shù)和全局變量需在.c 文件開頭冠以static 關(guān)鍵字聲明；

這句話主要講述了關(guān)鍵字static的作用。Static是一個(gè)相當(dāng)重要的關(guān)鍵字，他能對函數(shù)和變量做一些約束，而且可以傳遞一些信息。比如上例在LCD驅(qū)動(dòng)模塊.c文件中定義的延時(shí)函數(shù)static void delay (uint us)，這個(gè)函數(shù)冠以static修飾，一方面是限定了函數(shù)的作用范圍只是在本模塊中起作用，另一方面也給人傳達(dá)這樣的信息：該函數(shù)不會(huì)被其他模塊調(diào)用。下面詳細(xì)說一下這個(gè)關(guān)鍵字的作用，在C 語言中，關(guān)鍵字static 有三個(gè)明顯的作用：

1. 在函數(shù)體，一個(gè)被聲明為靜態(tài)的變量在這一函數(shù)被調(diào)用過程中維持其值不變。

2. 在模塊內(nèi)（但在函數(shù)體外），一個(gè)被聲明為靜態(tài)的變量可以被模塊內(nèi)所用函數(shù)訪問，但不能被模塊外其它函數(shù)訪問。它是一個(gè)本地的全局變量。

3. 在模塊內(nèi)，一個(gè)被聲明為靜態(tài)的函數(shù)只可被這一模塊內(nèi)的其它函數(shù)調(diào)用。那就是，這個(gè)函數(shù)被限制在聲明它的模塊的本地范圍內(nèi)使用。

前兩個(gè)都比較容易理解，最后一個(gè)作用就是剛剛舉例中提到的延時(shí)函數(shù)（static void delay (uint us)），本地化函數(shù)是有相當(dāng)好的作用的。

永遠(yuǎn)不要在.h 文件中定義變量！

比較一下代碼：

代碼一：

/*module1.h*/
int a = 5; /* 在模塊1 的.h 文件中定義int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模塊1 中包含模塊1 的.h 文件 */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模塊2 中包含模塊1 的.h 文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模塊3 中包含模塊1 的.h 文件 */

以上程序的結(jié)果是在模塊1、2、3 中都定義了整型變量a，a 在不同的模塊中對應(yīng)不同的地址元，這個(gè)世界上從來不需要這樣的程序。正確的做法是：

代碼二：

/*module1.h*/
extern int a; /* 在模塊1 的.h 文件中聲明int a */
/*module1 .c*/
#include "module1.h" /* 在模塊1 中包含模塊1 的.h 文件 */
int a = 5; /* 在模塊1 的.c 文件中定義int a */
/*module2 .c*/
#include "module1.h" /* 在模塊2 中包含模塊1 的.h 文件 */
/*module3 .c*/
#include "module1.h" /* 在模塊3 中包含模塊1 的.h 文件 */

這樣如果模塊1、2、3 操作a 的話，對應(yīng)的是同一片內(nèi)存單元。

注：

一個(gè)嵌入式系統(tǒng)通常包括兩類（注意是兩類，不是兩個(gè)）模塊：

• 硬件驅(qū)動(dòng)模塊，一種特定硬件對應(yīng)一個(gè)模塊；

• 軟件功能模塊，其模塊的劃分應(yīng)滿足低偶合、高內(nèi)聚的要求。