嵌入式 C 語言，高內(nèi)聚低耦合是咋回事？

工程師進階筆記 · 發(fā)表于 2024-9-27 17:50:00

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一、原理篇
在軟件工程中，模塊的內(nèi)聚和耦合是度量模塊化質(zhì)量的標準之一。內(nèi)聚是指模塊的功能強度的度量，即一個模塊內(nèi)部各個元素彼此結(jié)合的緊密程度的度量。若一個模塊內(nèi)各元素（語名之間、程序段之間）聯(lián)系的越緊密，則它的內(nèi)聚性就越高。
耦合是程序中各模塊之間相互聯(lián)系緊密程度的一種度量。各模塊之間聯(lián)系越緊密，其耦合性就越強。模塊間耦合高低取決于模塊間接口的復(fù)雜性、調(diào)用的方式及傳遞的信息。
在程序設(shè)計中提倡的是高內(nèi)聚低耦合。所謂高內(nèi)聚，是指模塊是由相關(guān)性很強的代碼組成，只負責一項任務(wù)，也就是常說的單一責任原則，這樣的模塊，無論從設(shè)計、實現(xiàn)還是閱讀，都能體現(xiàn)出其保持專一性帶來的好處。
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(chǎn)生聯(lián)系不可能，但模塊與模塊之間的接口應(yīng)該盡量少而簡單。這樣，高內(nèi)聚從整個程序中每一個模塊的內(nèi)部特征角度，低耦合從程序中各個模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系角度，對我們的設(shè)計提出了要求。
程序設(shè)計和軟件工程發(fā)展過程中產(chǎn)生的很多技術(shù)、設(shè)計原則，都可以從內(nèi)聚和耦合的角度進行解讀。作為C語言程序設(shè)計的初學者，結(jié)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(nèi)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(diào)用函數(shù)的控制和調(diào)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(jù)傳遞顯然不現(xiàn)實，次之追求數(shù)據(jù)耦合，調(diào)用函數(shù)和被調(diào)用函數(shù)之間只傳遞簡單的數(shù)據(jù)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(diào)用時，利用形式參數(shù)傳地址的方式，在函數(shù)體內(nèi)通過指針可以修改其指向的作用域以外的存儲單元，這構(gòu)成了更強的耦合，稱為特征耦合，在這里，使函數(shù)之間產(chǎn)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(gòu)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(jié)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(jù)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(jié)構(gòu)。
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(diào)用之間共享數(shù)據(jù)，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(nèi)部，其影響也只在函數(shù)內(nèi)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(nèi)聚。內(nèi)聚程度最高的是功能內(nèi)聚，模塊內(nèi)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(jié)構(gòu)圖的較低被調(diào)用的層次上。
次之的是順序內(nèi)聚，一個函數(shù)中各個處理元素和同一個功能密切相關(guān)，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(chǎn)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(jù)而發(fā)生關(guān)聯(lián)，這稱為通信內(nèi)聚和信息內(nèi)聚，內(nèi)聚程度進一步下降。內(nèi)聚程度再低的情況就不再一一列舉，最差的偶然內(nèi)聚中，一個函數(shù)內(nèi)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(yīng)的是低質(zhì)量�？傊�，在解決問題劃分函數(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(nèi)聚。
要做到高內(nèi)聚低耦合，重點是要在寫代碼之前花些時間做好設(shè)計。在下面的例子中，將討論結(jié)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(shè)計與C語言引論啟發(fā)》。
任務(wù)
輸出200以內(nèi)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(jù)要輸出一個換行。
解決方案及點評
對于這個簡單任務(wù)，我們在一個main函數(shù)中完成了任務(wù)。程序如方案1：
//方案1：內(nèi)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("
");
}
return 0;
}
由于任務(wù)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(nèi)聚程度接近功能內(nèi)聚，已經(jīng)相當高了，就任務(wù)本身，不需再進行分解。為使讀者能深入理解模塊質(zhì)量方面的技術(shù)，我們將試圖將內(nèi)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(nèi)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(jù)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(nèi)聚程度的。
在實現(xiàn)的應(yīng)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(nèi)部不再包括輸入輸出，專門接受輸入的數(shù)據(jù)，計算完成后返回結(jié)果即可。當然，對于復(fù)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(jù)后換行”分開實現(xiàn)的方案。這樣的分解有助于提高內(nèi)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(guān)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(jù)后換行”的功能，設(shè)計一個名稱為format的函數(shù)，它每調(diào)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(diào)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(diào)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(jù)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("
");
else
      printf(" ");
return;
}
在這個程序結(jié)構(gòu)中，format與main函數(shù)的耦合程度為數(shù)據(jù)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(diào)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(jù)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(nèi)的改變對應(yīng)的實在參數(shù)num占不同的內(nèi)存空間，n++修改的結(jié)果，對num無任何的影響，導致了在下一次調(diào)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("
");
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?qū)崿F(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(&num);
}
return 0;
}
void format(int *p)
{
(*p)++;
if ((*p)%5==0)
      printf("
");
else
      printf(" ");
return;
}
一定有人想到了用全局變量的解決方案。這樣，可以將num定義為全局變量，num的生存周期不再依賴于函數(shù)調(diào)用，其值也能在函數(shù)的調(diào)用之間保持不變（只要其間沒有另外給它賦值），從而可以完成傳遞信息的任務(wù)。這時，format因為無需參數(shù)傳遞，可以設(shè)計為無參函數(shù)，得到如下方案5的程序：
//方案5：耦合度最高的全局變量方案
#include
void format();
int num=0;
int main()
{
int m ;
for (m = 1; m * m 200; m++)
{
      printf("%d", m * m);
      format();
}
return 0;
}
void format()
{
num++;
if (num%5==0)
      printf("
");
else
      printf(" ");
return;
}
這是解決這個問題的耦合程度最高的一個方案。將num定義為外部變量，意味著如果還有其他函數(shù)，num是可以被任何函數(shù)修改的，當發(fā) format 計數(shù)錯誤時，尋找錯誤困難，而修改后又可能會帶來其他地方的錯誤。
在這么一個短小的程序中，這種方案可能尚可接受，當程度的規(guī)模稍變大，可能帶來的問題必須高度重視。因此，在實際應(yīng)用中，強調(diào)全局變量要慎用（不是不用）。
考慮到num是在format中應(yīng)用的私用數(shù)據(jù)——只有format才關(guān)心這到底是第幾個數(shù)據(jù)，main本來都不用關(guān)心的。這樣，可以考慮將num定義為format中的局部靜態(tài)變量，得到方案6的程序：
//方案6：用靜態(tài)局部變量，耦合度偏高但封裝性最好的方案
#include
void format();
int main()
{
int m ;
for (m = 1; m * m 200; m++)
{
      printf("%d", m * m);
      format();
}
return 0;
}
void format()
{
static int num=0;
num++;
if (num%5==0)
      printf("
");
else
      printf(" ");
return;
}
在這里，靜態(tài)局部變量num的作用域是局部的，定義在函數(shù)體里，封裝性在所有方案里是最好的，從而能保證信息的隱蔽性，避免其他函數(shù)無意的越權(quán)訪問；
不過，num的生存期是全局的，可以跨越函數(shù)的不同次調(diào)用，在兩次調(diào)用間傳遞信息，耦合程度（自己和自己的耦合）要高一些，但使main函數(shù)和format函數(shù)的耦合達到了最理想的程度，既保證了功能的正確，又保證了局部數(shù)據(jù)的安全性，表現(xiàn)出靜態(tài)局部變量的優(yōu)勢。綜上所述，在解決一個問題時，存在著諸多的方案。
方案1可以接受，但希望提高內(nèi)聚性而做出改進；方案2用簡單的參數(shù)傳值方式實現(xiàn)耦合程度低，但很可惜不能完成功能；在其他方案中，對于這個問題，選擇的優(yōu)先順序是：
方案6、方案3 > 方案4 > 方案55 x# b% O. m% P7 C3 a: h& p. |! Z- `
建議讀者回顧前面的內(nèi)容，想一想這樣排序的理由。在上述探討各個方案的過程中，我們應(yīng)該體會到在程序設(shè)計能力提高的過程中，不斷地學習新的技術(shù)，懂得新的評判標準，這也就是一個不斷拓寬眼蜀的過程。
在稍后的練習中，不妨多想一些方案，也能夠從專業(yè)的角度評判方案的優(yōu)劣，最終做到的，就是出手就是最佳方案的專業(yè)水平。

原文鏈接：https://blog.csdn.net/sxhelijian/article/details/79401703

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