周立功(gong)教授數年之心血(xue)之作《程序設計與(yu)數據結構》，電✌️子版(bǎn)已無償性分享到(dào)電子工程師與高(gao)校群體。書本内容(rong)公開後😍，在電子行(háng)業掀起一片學習(xí)熱潮。經周立功教(jiāo)授授權，特對本書(shū)内容進行連載，願(yuan)共勉之。
第一章爲(wèi)程序設計基礎，本(ben)文爲1.5.2/1.5.3共性與可變(biàn)性分析：建立抽⚽象(xiang)和建立接口。
>>>> 1.5.2 建立(li)抽象
抽象化的目(mu)的是使調用者無(wú)需知道模塊的内(nèi)部細節，隻需要知(zhi)道模塊或函數的(de)名字，因此将其稱(chēng)爲黑盒化💁。調用者(zhě)隻需要知道黑盒(hé)子的輸入和輸出(chu)，而過程的細節是(shì)隐藏的。由🧡于建立(li)了一個由黑盒子(zǐ)組成的系統，因此(cǐ)複雜的結構就被(bèi)💁黑盒子隐藏起來(lai)了，則🔞理解系統的(de)整體結構就變得(dé)更容易了。
從概念(niàn)的視角來看，建立(lì)抽象關注的不是(shi)如何實現，而是函(hán)數要做什麽，過早(zǎo)地關注實現細節(jiē)，将實現細節隐😄藏(cang)起來，進而幫助我(wo)們構建更易于修(xiū)改的軟件。因此，我(wo)們首先應該選擇(zé)一個具有描述性(xing)的符合需求的名(ming)字，雖然可以選擇(ze)的名字有swapByte、swapWord和swap，但💰swap更(geng)簡潔更貼切。其次(cì)，可以用一句話概(gai)念性地描述swap的數(shù)據抽象——swap是實現兩(liǎng)個數據交換的函(hán)數。
顯然，調用者僅(jin)需一般性地在概(gai)念層次上與實現(xian)者交流，因爲調用(yòng)者的意圖是如何(hé)使用swap()實現兩個💛數(shù)據的交換，所🈲以無(wu)需準确地知道實(shí)現的細節。而具體(ti)如何完成數據的(de)🏃♀️交換，這是在實現(xian)層次進行的。由此(ci)可🚩見，将模塊的目(mù)的與實現分離的(de)抽象揭⛷️示了問題(tí)的本質，并沒有提(ti)供解決方🈚案。隻說(shuō)明需要做什麽，并(bìng)不會指出如何實(shí)現某個模塊。隻❤️要(yao)概念不變，調用者(zhě)與實現細節的變(bian)化就徹底隔離了(le)。當某個模塊完成(cheng)編碼後，隻要說明(míng)該模👉塊的目的和(hé)參數就可以使用(yong)它，無需知道具體(ti)的實現。
函數抽象(xiang)對團隊項目非常(chang)重要，因爲在團隊(duì)中必須使🤟用其他(ta)成員編寫的模塊(kuai)。比如，編程語言本(ben)身自帶的庫函數(shù)，由于已經被預編(biān)譯，因此無法訪問(wen)🐅它的源代碼。同時(shi)庫函數不一定是(shì)用📐C編寫的，因此隻(zhi)要知道其調用規(guī)範，就可以💛在程序(xù)中毫無顧忌地使(shǐ)用這個💃函數。實際(jì)上⚽，在使用scanf()函數的(de)過程中，我🈲們考慮(lǜ)過scanf()是如何實現的(de)嗎？無關緊要。盡管(guǎn)不同系統實現scanf()的(de)方法可能不一樣(yang)，但其中💜的不同對(duì)于程序員來說是(shi)透明的。
>>>> 1.5.3 建立接口(kou)
接口是由公開訪(fang)問的方法和數據(ju)組成的，接口描述(shu)了與模塊♈交互的(de)唯一途徑。最小化(hua)的接口隻包含對(duì)于接口的😍任務非(fēi)常重要的參數，最(zuì)小化的接🈲口便于(yú)學習如何與之交(jiao)互，且隻需要理解(jiě)少量的參數，同時(shi)⛹🏻♀️易于擴展和維護(hù)，因👌此設計良好的(de)接口🐕是一項重要(yào)的技能。
>>> 1. 函數調用(yong)
（1）傳值調用
如何調(diào)用swap()函數呢？實參将(jiāng)值從主調函數傳(chuan)遞給被調🐪函數，也(ye)許其調用形式是(shi)下面這樣的：
swap(a, b);
從黑(hei)盒視角來看，形參(cān)和其它局部變量(liàng)都是函數😄私🐉有的(de)，聲🐕明在不同函數(shù)中的同名變量是(shì)完全不同的變量(liang)，而且🌐函數無法👄直(zhi)接訪問其它函數(shù)中的變量，這種限(xian)制訪問保❌護了數(shù)據的完整性，黑盒(he)發生了什麽👨❤️👨對主(zhu)調函數是不可見(jian)的。
一個變量的有(yǒu)效範圍稱作它的(de)作用域，變量的作(zuo)用域指可🐕以💰通過(guò)變量名稱引用變(biàn)量的區域，在函🤩數(shu)内部聲明的變量(liàng)隻在該函數内部(bu)有效。當主調函數(shu)調♻️用子函數時，主(zhu)函數内✨聲明的變(bian)量在子函數内無(wú)效❗，子函數内🌈聲明(míng)的變量也隻在💃🏻該(gāi)子函數内部有效(xiao)。
由于傳遞給函數(shu)的是變量的替身(shēn)，因此改變函數參(can)數對原始變量沒(mei)有影響。當變量傳(chuan)遞給函數時，變量(liang)的值被複制給函(hán)數參數。由此可見(jian)，通過“傳值調用”方(fang)式交換a、b的值，無法(fa)改變👉主調函💜數相(xiàng)應變量的值。
（2）傳址(zhi)調用
如果希望通(tōng)過被調函數将更(geng)多的值傳回主調(diao)函數🤩而改♍變主調(diào)函數中的變量，則(zé)使用“傳址調用”——将(jiāng)&a、&b作爲實參傳遞給(gěi)形參。其調用形式(shi)如下：
swap(&a, &b);
利用指針作(zuo)爲函數參數傳遞(di)數據的本質，就是(shì)在⛹🏻♀️主調函數和被(bèi)調函數中，通過不(bú)同的指針指向同(tóng)⚽一内存地址訪問(wèn)相同的内存區域(yù)，即它們背後共享(xiang)相同✌️的内存，從而(er)實現數據的傳遞(di)和交換。
>>> 2. 函數原型(xing)
函數原型是C語言(yan)的一個強有力的(de)工具，它讓編譯器(qì)捕獲♍在使用函數(shù)時可能出現的許(xǔ)多錯誤或疏漏。如(rú)果編譯器沒有發(fā)現這些問題，就很(hen)難察覺出來。函數(shu)原型包括函數返(fan)回值的類型、函數(shu)名和形參列表（參(can)數的數量和每個(ge)參數的類型），有了(le)這些✍️信息，編譯器(qì)💰就可以檢查🚩函數(shu)調用與函數原型(xing)是❗否匹配？比如，參(can)數的數量是否正(zheng)确？參數的類型是(shi)否匹配？如果類型(xíng)不匹配，編譯器會(huì)将實參的類型轉(zhuan)換成形參的類型(xíng)。
（1）函數形參
通過程(cheng)序清單 1.15可以看出(chu)，其相同的處理部(bù)分是2個int類值的📞交(jiāo)🌍換代碼，因此可以(yǐ)将數據交換代碼(ma)移到swap()函數的實現(xiàn)中，其可變的🥰數據(ju)由外部傳進來的(de)參數應對。由于&a是(shi)指向int類型變量🔴a的(de)指針，&b是指向int類型(xíng)變量b的指針，因此(ci)必須将p1、p2形參聲明(míng)爲指向int *類型的🈲指(zhǐ)針變量，即必須将(jiang)存儲int類型值變量(liang)的地址作爲🏒實參(can)賦給指針✍️形參，實(shí)參與形參才能匹(pi)配。其函數原型進(jin)化如下：
swap(int *p1, int *p2);
（2）返回值的(de)類型
聲明函數時(shi)必須聲明函數的(de)類型，帶返回值的(de)函數❗類型應該🌏與(yu)其返回值類型相(xiang)同，而沒有返回值(zhí)🍉的函數應💰該聲明(míng)爲void。類型聲明是函(han)數定義的一部分(fen)，函數類型指的是(shi)返回值的類型，不(bú)🏒是函數參數的類(lèi)型。
雖然可以使用(yong)return返回值，但return隻能返(fǎn)回一個值給主調(diào)函數。比如，如果返(fan)回值爲整數，則函(hán)數返回值的類型(xíng)爲int。當返💃🏻回值爲int類(lei)🚶♀️型時，如果返回值(zhí)爲負數，則表示失(shī)敗⛹🏻♀️；如果返🐇回值爲(wèi)非負數，則表示成(chéng)功。當返回✔️值爲bool類(lèi)型時，如果返回值(zhí)爲false，則表示失敗，如(rú)果返回值爲true，則表(biao)示成功。當返回值(zhi)爲指針類型時，如(ru)果返⭐回值爲NULL，則表(biao)示失敗，否則返回(hui)一個有效的指針(zhen)。
如果利用指針作(zuò)爲參數傳遞給函(han)數，不僅可以向函(han)數傳入數據，而且(qie)還可以從函數返(fǎn)回多個值。因爲函(han)數的調用者和函(han)數⚽都可以使用指(zhi)向同一内㊙️存地址(zhǐ)的指針，即使用🔞同(tóng)一塊内存，所以使(shi)用指針作爲函數(shù)參數時就🐕是對同(tóng)一數據進行讀寫(xiě)操作。這樣不僅可(kě)以傳入數據，還可(ke)以通過在函數内(nèi)部🈲修改這些數據(jù)，将函數的結果傳(chuán)出給調用者。
當函(hán)數的實參是指針(zhen)變量時，有時希望(wang)函數能通過指㊙️針(zhen)指向别處的方式(shì)改變此變量，則需(xū)要使用指向指針(zhen)的指針作爲形參(cān)。
由于swap()無返回值，因(yin)此swap()返回值的類型(xíng)爲void，其函數原型如(rú)🌍下：
void swap(int *p1, int *p2);
其被解釋爲swap是(shi)返回void的函數（參數(shu)是int *p1，int *p2）。
這是一個不斷(duàn)叠代優化的過程(chéng)，用戶隻需要知道(dao)“函㊙️數✉️名、傳入函數(shù)的參數和函數返(fan)回值的類型”，就知(zhī)道如何有效地調(diao)用相💋應的函數。
>>> 3. 依(yī)賴倒置原則
在面(miàn)向過程編程中，通(tong)常的做法是高層(céng)模塊調用低層✉️模(mó)塊，其目的之一就(jiù)是要定義子程序(xù)層次結構。當㊙️高層(ceng)模塊依賴🔆于低層(céng)模塊時，對低層模(mo)塊的📧改動會直接(jie)影響高層模塊，從(cóng)而迫使它們依次(ci)做♻️出修改。如果高(gāo)層模🔅塊獨立于低(di)層模塊，則高層模(mo)塊更容易重用，這(zhe)就是分層架構設(shè)計的核心原則🙇🏻，即(jí)依賴倒置🚩原則（Dependence Inversion Principle，DIP）：
● 高(gāo)層模塊不應該依(yī)賴低層模塊，兩者(zhě)都應該依賴于抽(chōu)象接口；
● 抽象接口(kǒu)不應該依賴于細(xi)節，細節應該依賴(lai)抽象接口。
當在分(fen)層架構中使用依(yi)賴倒置原則時，将(jiang)會發現“不再存在(zai)分♈層”的概念了。無(wú)論是高層還是低(di)層，它們都依賴于(yú)抽象接口，好像将(jiang)整個分層架構推(tui)平一樣。
其實從“Hello World”程(chéng)序開始，我們就已(yǐ)經在使用stdio.h包含的(de)“抽象接口🔞”了，即以(yǐ)🔴後凡是用#include文件的(de)擴展名叫.h（頭文件(jiàn)）。如果源代碼中要(yao)用到stdio标準👈輸入輸(shu)出函數時，那麽就(jiu)🔞要包含這個頭🌈文(wén)件，比如，“scanf("%d",&i);”函數，其目(mù)的是告訴編譯器(qi)要使用stdio庫。庫是一(yi)種工具的集合，這(zhe)些工具是由其它(tā)程序員編寫的，用(yong)于💔實現特定的功(gōng)能。盡管實現者無(wu)需關心用戶将如(rú)何使用庫，且不會(huì)直接開放源代碼(ma)給用戶使用，但必(bì)須給用戶提供調(diào)用函數所需要的(de)信息。顯然隻要将(jiāng)頭文件🏒開🐆放給用(yòng)戶，即可讓用戶了(le)解接口的所有細(xì)節，詳見程序清單(dan)♈ 1.16。
程序清單 1.16 swap數據交(jiāo)換接口（swap.h）
1 #ifndef _SWAP_H
2 #define _SWAP_H
3 // 前置條件(jiàn)：實參必須是int類型(xing)變量的地址
4 // 後置(zhi)條件：p1、p2作爲輸出參(can)數，改變主調函數(shu)中相應的變量
5 void swap(int *p1, int *p2);
6 // 調(diào)用形式：swap(&a, &b)
7 #endif
其中，每個(gè)頭文件都指出了(le)一個用戶可見的(de)外部函數接口，主(zhǔ)要包括函數名、所(suo)需的參數、參數的(de)類型和💋返回結果(guo)的類型。其🙇🏻中，swap是庫(ku)的名字，程序清單(dan) 1.16（1~2）與（8）是幫助編譯器(qi)記錄它所讀取的(de)接♌口，當寫一個接(jiē)口時，必🐆須包含#ifndef、#define和(he)#ednif。#include行部分僅當接口(kou)本身需要其它庫(ku)時才使🤟用，它由标(biāo)準的#include行組成。程序(xu)清單 1.16（6）接口項表示(shì)庫輸出的函數的(de)原型、常量和類型(xing)等✌️。不管🙇🏻你是否理(li)解，這些行是接口(kou)的模闆文件，這就(jiu)是信息隐藏。
>>> 4. 前/後(hòu)置條件
處理信息(xi)隐藏還涉及到另(ling)一個技術，那就是(shì)使用前✊置條件和(he)後置條件描述函(hán)數的行爲。在編寫(xiě)一個完整的函數(shu)定義時，需✂️要描述(shu)該函數是如何執(zhi)行計算的。但在使(shi)用函♊數時，隻需考(kǎo)慮該函數能做✨什(shí)麽，無需知道是如(rú)🏃♀️何完成的♊。當不知(zhi)道✌️函數是如何實(shí)現時，就是在使用(yòng)一🏃♂️種名爲過程抽(chou)象的信息隐藏形(xing)式，它抽象掉的是(shì)函數如何工作的(de)細節。計算機科學(xue)家使用“過程”表示(shi)任意指🤟令集，因此(ci)使用術語過程抽(chōu)象。過程抽象是一(yī)種強大的工具，使(shǐ)得我們一次隻考(kao)慮一個而不是所(suǒ)有的函數，從而使(shi)🥰問題求解簡單化(huà)。
爲了使描述更準(zhǔn)确，則需要遵循固(gu)定的格式，它包含(hán)兩部分信息：函數(shù)的前置條件和後(hou)置條件。前置條件(jian)📞就是調用🔞該函數(shu)必須成立的條件(jiàn)，當函數被♈調用時(shi)，該語句給出要🔞求(qiú)爲真的條件。除非(fei)前置條件爲真，否(fou)則無法保證函數(shù)能正确執行🙇♀️。在調(diao)用swap()函數時，實參必(bì)🚩須是int類型變量的(de)地址，這是調用者(zhě)的職責。通常在函(hán)數開始處檢查♈是(shì)否滿足？如果🚶♀️不滿(man)足，說明調用代碼(mǎ)有問題，抛出一個(gè)異常。
後置條件就(jiu)是該操作完成後(hou)必須成立的條件(jian)，當函數調用時⭐，如(rú)果函數是正确的(de)，而且前置條件爲(wei)🌈真，那麽該函數調(diào)用将可以執行完(wan)成。當函數調用完(wán)成後，後置條件爲(wei)真。如果不滿足後(hou)⛹🏻♀️置條件，則說明業(yè)務邏輯有問題。
當(dang)滿足調用swap()函數的(de)前置條件時，必須(xu)同時确保其🔞結束(shù)時👅滿足它的後置(zhi)條件，其後置條件(jiàn)是被調函數将返(fǎn)回㊙️值傳回主調函(hán)數，改變主調函數(shù)中變量的值。
前後(hòu)置條件不隻是概(gai)括地描述函數的(de)行爲，聲明這些💁條(tiáo)件應該是設計任(rèn)何函數的第一步(bu)。在開始考慮🐪某個(gè)函數的算法和代(dai)碼之前，應該寫出(chu)該函🏃🏻♂️數的原✨型，其(qí)中包括函數的返(fǎn)回類型、名稱和參(cān)數列表，最後緊跟(gēn)一個分号。直接來(lái)自于用戶的輸入(ru)不能作爲前置條(tiao)件，通常前/後置條(tiao)件都可以轉化爲(wèi)assert語句。編寫函數原(yuan)型時，應該以注釋(shì)的形式🤩描述該函(hán)數的前置條件和(hé)後置條件。
事實上(shang)，前置條件和後置(zhi)條件在使用函數(shù)的程序⛹🏻♀️員和編寫(xie)函數的程序員之(zhī)間形成了一個契(qì)約，也☀️就是爲什麽(me)需🐇要這個函數？接(jie)口通過前置條件(jian)和後置條件以契(qì)約的形式表達需(xu)求，承諾在滿足前(qián)置條件時開始，按(an)照程序的流🔴程運(yùn)行，系統就能到達(dá)後置條件。
雖然注(zhu)釋是一種很好的(de)溝通形式，但在代(dai)碼可以📱傳🙇♀️遞意圖(tú)的地方不要寫注(zhù)釋。因爲代碼解釋(shi)做了什麽，再注釋(shì)也沒有🔞什麽用處(chu)，相反注釋要說明(ming)爲什麽會💛這樣寫(xie)✍️代碼？
>>> 5. 開閉原則
接(jie)口僅需指明用戶(hù)調用程序可能調(diao)用的标識符🔞，應盡(jìn)可能地❌将算法以(yi)及一些與具體的(de)實現細節🌈無關的(de)信息隐🍓藏起💋來，這(zhè)樣用戶在調用程(cheng)序時也就不必🚶♀️依(yī)賴特定的實現細(xi)節了。當接♈口一旦(dàn)發布後，也就不能(néng)改變了，因爲改變(bian)接口勢必引起用(yòng)戶程序的改變。如(ru)果此前定義的接(jiē)口滿足不了需求(qiú)⚽，怎麽辦？隻能擴展(zhan)新的接口，但不能(neng)修改或廢除原有(yǒu)的接口，這就是“對(dui)修改關閉，對擴展(zhǎn)開放”的開閉👉原則(ze)（Open-Closed Princple，OCP）。顯然，依賴倒置原(yuan)則更加精确的💜定(dìng)義就是面向接口(kou)的編程，它是實現(xian)開閉原則的重要(yao)途徑。如果DIP依賴倒(dao)置原則沒有實現(xiàn)，就别想實現對擴(kuò)展開放，對修改關(guan)閉。