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一、原理篇
而低
耦合,是指模塊之間盡可能的使其獨立存在,模塊之間不產生聯(lián)系不可能,但模塊與模塊之間的接口應該盡量少而簡單。這樣,高內聚從整個程序中每一個模塊的內部特征角度,低耦合從程序中各個模塊之間的關聯(lián)關系角度,對我們的設計提出了要求。
程序設計和軟件工程發(fā)展過程中產生的很多技術、設計原則,都可以從內聚和耦合的角度進行解讀。作為
C語言程序設計的初學者,結合當前對于函數(shù)的理解可達到的程度,我們探討一下如何做到高內聚低耦合。
針對低耦合。耦合程度最低的是非直接耦合,指兩個函數(shù)之間的聯(lián)系完全是通過共同的調用函數(shù)的控制和調用來實現(xiàn)的,耦合度最弱,函數(shù)的獨立性最強。但一組函數(shù)之間沒有數(shù)據傳遞顯然不現(xiàn)實,次之追求數(shù)據耦合,調用函數(shù)和被調用函數(shù)之間只傳遞簡單的數(shù)據參數(shù),例如采用值傳遞方式的函數(shù)。
有些函數(shù)數(shù)在調用時,利用形式參數(shù)傳地址的方式,在函數(shù)體內通過指針可以修改其指向的作用域以外的存儲單元,這構成了更強的耦合,稱為特征耦合,在這里,使函數(shù)之間產生聯(lián)系的是地址這樣的特征標識。另外,有兩個函數(shù)可能會打開同一個文件進行操作,這也構成了特征耦合的一種形式。
更強的耦合是外部耦合,這里,一組模塊都訪問同一全局變量,而且不通過參數(shù)表傳遞該全局變量的信息,當發(fā)現(xiàn)程序執(zhí)行結果異常時,很難定位到是在哪個函數(shù)中出了差錯。不少初學者覺得參數(shù)傳遞麻煩,將要處理的數(shù)據盡可能地定義為全局變量,這樣,函數(shù)之間的接口簡單了,但形成的是耦合性很強的結構。
在C語言中,還可以通過靜態(tài)局部變量,在同一個程序的兩次調用之間共享數(shù)據,這也可以視為是一種外部耦合,只不過靜態(tài)局部變量的作用域限于函數(shù)內部,其影響也只在函數(shù)內部,耦合程度比使全局變量也還是弱很多。由此,我們可以理解前述在使用全局變量、靜態(tài)局部變量時提出的“用在合適的時候,不濫用”的原則。
針對高內聚。內聚程度最高的是功能內聚,模塊內所有元素的各個組成部分全部都為完成同一個功能而存在,共同完成一個單一的功能,模塊已不可再分。這樣的函數(shù)功能非常清晰、明確,一般出現(xiàn)在程序結構圖的較低被調用的層次上。
次之的是順序內聚,一個函數(shù)中各個處理元素和同一個功能密切相關,通常前一個處理元素的輸出是后一個處理元素的輸入。對于這樣的函數(shù),如果不致于產生高耦合的話,可以分開兩個函數(shù)實現(xiàn)。
有的函數(shù),其中的不同處理功能僅僅是由于都訪問某一個公用數(shù)據而發(fā)生關聯(lián),這稱為通信內聚和信息內聚,內聚程度進一步下降。內聚程度再低的情況就不再一一列舉,最差的偶然內聚中,一個函數(shù)內的各處理元素之間沒有任何聯(lián)系,只是偶然地被湊到一起。
可以想像這樣的模塊東一榔頭西一錘子,類似一個毫無凝聚力的團伙,對應的是低質量??傊诮鉀Q問題劃分函數(shù)時,要遵循“一個函數(shù),一個功能”的原則,盡可能使模塊達到功能內聚。
要做到高內聚低耦合,重點是要在寫代碼之前花些時間做好設計。在下面的例子中,將討論結合具體的問題,如何將以上的因素考慮進去。
二、示例篇
本例受裘宗燕老師《從問題到程序——程序設計與
C語言引論啟發(fā)》。
任務
輸出200以內的完全平方數(shù)(一個數(shù)如果是另一個整數(shù)的完全平方,那么我們就稱這個數(shù)為完全平方數(shù),也叫做平方數(shù)),要求每隔5個數(shù)據要輸出一個換行。
解決方案及點評
對于這個簡單任務,我們在一個main函數(shù)中完成了任務。程序如方案1:
//方案1:內聚性較高的單模塊實現(xiàn)方案
#include?
int?main()
{
????int?m,?num=0;
????for?(m?=?1;?m?*?m?<=?200;?m )
????{
????????printf("%d?",?m?*?m);
????????num ;
????????if?(num%5==0)
????????????printf("\n");
????}
????return?0;
}
由于任務本身簡單,將之在一個main函數(shù)中實現(xiàn)后,這個函數(shù)的內聚程度接近功能內聚,已經相當高了,就任務本身,不需再進行分解。為使讀者能深入理解模塊質量方面的技術,我們將試圖將內聚程序再提高一些,然后考察耦合程度不同的各種解決方案。
要提高上面解決方案中函數(shù)(僅main一個函數(shù))的內聚程度,我們考察程度的功能“找出完全平方數(shù)并輸出”——“找出完全平方數(shù)”和“輸出”這本身就是兩個功能,再細分輸出時還有“要求5個數(shù)據在一行”的要求,這些功能的實現(xiàn)細節(jié)都在一個函數(shù)當中,可見是有余地再提高內聚程度的。
在實現(xiàn)的應用中,幾乎所有的處理都可以分解為“輸入-計算-輸出”的模式,優(yōu)秀的解決方案往往至少要將這三個模塊都獨立出來,對于“計算”模塊而言,其內部不再包括輸入輸出,專門接受輸入的數(shù)據,計算完成后返回結果即可。當然,對于復雜的問題,在各個環(huán)節(jié)上可能還需要再做分解。
下面,我們探討將“找出完全平方數(shù)輸出”和“每5個數(shù)據后換行”分開實現(xiàn)的方案。這樣的分解有助于提高內聚性,與此同時,分解后的兩個模塊間的耦合程度,成為我們要關注的焦點。
現(xiàn)在將“找出完全平方數(shù)并輸出”的功能仍放在main函數(shù)中(獨立成為單獨的函數(shù)也可以,但不必要了),而“每5個數(shù)據后換行”的功能,設計一個名稱為format的函數(shù),它每調用一次就輸出一個空格作為兩個完全平方數(shù)間的分隔,而每調用到第5次時,輸出的是一個換行。
這兩個模塊之間,需要有一個“現(xiàn)在是第幾次調用”的信息需要傳遞,不可能用耦合程度最松散的非直接耦合.我們考慮數(shù)據耦合,用簡單形式參數(shù)傳值,得到方案2。
//方案2:一個耦合度低,但不能完成功能要求的解決方案
#include?
void?format(int);
int?main()
{
????int?m,?num=0;
????for?(m?=?1;?m?*?m?<=?200;?m )
????{
????????printf("%d",?m?*?m);
????????format(num);
????}
????return?0;
}
void?format(int?n)
{
????n ;
????if?(n%5==0)
????????printf("\n");
????else
????????printf("?");
????return;
}
在這個程序結構中,format與main函數(shù)的耦合程度為數(shù)據耦合。在main中定義了局部變量num,在一次都未輸出時,置初值為0是合理的。在調用format時,將num傳遞來的表示第幾次輸出(第幾個完全平方數(shù))的形式參數(shù)n,n自增1,然后再控制輸出空格或換行。
然而分析和運行程序發(fā)現(xiàn),“每隔5個數(shù)據輸出一個換行”的功能并未實現(xiàn)。因為形式參數(shù)n在函數(shù)format內的改變對應的實在參數(shù)num占不同的內存空間,n 修改的結果,對num無任何的影響,導致了在下一次調用時,丟失了“輸出的是第幾個”的重要信息。
一個補救的方法,是由format將變化后的n值作為返回值,再傳回給main函數(shù),得到如下方案3的程序:
//方案3:利用了返回值使耦合度增大,但功能得以實現(xiàn)的方案
#include?
int?format(int);
int?main()
{
????int?m,?num=0;
????for?(m?=?1;?m?*?m?<=?200;?m )
????{
????????printf("%d",?m?*?m);
????????num?=?format(num);
????}
????return?0;
}
int?format(int?n)
{
????n ;
????if?(n%5==0)
????????printf("\n");
????else
????????printf("?");
????return?n;
}
維持原函數(shù)返回值為void,而將參數(shù)改為傳地址,得到下面的方案4。這個方案的耦合度更高一些,但功能還是能夠實現(xiàn)的。
//方案4:傳地址實現(xiàn)功能的方案,耦合度更大
#include?
void?format(int*);
int?main()
{
????int?m,?num=0;
????for?(m?=?1;?m?*?m?<=?200;?m )
????{
????????printf("%d",?m?*?m);
????????format(