真刀真枪模块化（3）—— 层次框架初探

落日映苍穹つ 2023-01-09 15:52 47阅读 0赞

**【说在前面的话】**

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在本系列的前面几篇文章中，我们依次讨论了如下的几个问题：

*  **模块化的目的是什么？**—— [复用代码，节省开发时间][Link 1]；
 *  **阻碍模块化实现其最初目的的障碍是什么？**—— [把原本的黑盒子当成白盒子，或者更通俗的说：阅读模块的源代码][Link 1]；
 *  **能不能介绍一种模块化的方法？**—— [Service模型][Service]；
 *  **如何在Service模型的基础上真正把模块做成黑盒子？**—— [掩码结构体；][Link 2]

如果你错过了上述内容，可以单击破折号后面的关键字跳转到对应的文章进行阅读。正如你所看到的，这一系列问题实际上也正是沿着一个常见的思维过程展开的。一般来说，当我们学习过Service模型后，就有能力制作出一个个积木，并将这些积木在各种不同的项目环境中使用起来——我们可以这么理解：

*  模块的内部不仅对外是不可见的，本质上也不依赖于模块的外部环境；
 *  模块的内部可以被认为是一个独立的小世界：
    
     *  一方面根据事先约定的有限的接口通过**接口头文件**与外界交互；
     *  一方面通过配置头文件（**app\_cfg.h**）从外界接收“范围可控”的配置信息；
     *  既然是独立的小世界，无论外部的工程环境如何，模块本身都可以正常的编译或者参加链接——换句话说，通过拷贝模块目录的方式应该就算是带上了模块的全部家当；

这种独立属性，给了Service模型构建出的模块以绝佳的适应力——是一个合格的积木——甚至把它们放在一起的时候，还能很自然的形成类似“接水管”一样的效果，可谓“团战”、“Solo”都很拿手。

在前面的文章中，我们已经简单介绍过用Service模型进行“套娃”的方法，实际上，这只是准备工作——所谓的“套娃”，更专业的说法应该是“**层次框架**”，或者说**Framework**。**Software Framework** 是一个很大的话题，《真刀真枪模块化》系列从入门开始，尝试由浅入深的为您介绍那些构建自己的软件大厦所必不可少的基本技能。

万丈高楼平地起，让我们先从层次框架“初探”开始吧。

**【从平面到立体的转变】**

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在学习了Service模型后，也许你很快就能制作或者说封装出一些常见的小模块，比如队列、内存池、加密模块、数据校验模块等等。这些模块自成一体，平时用起来就好比是平铺在桌面上的积木一样——它们平起平坐，缺乏立体的层次关系。

还有另外一类模块，他们本身需要由众多的子模块拼接而成——这里的拼接可不是简单的平面拼接——它需要一个层次关系，这种层次关系体现在两个方面：

*  **它们是如何组装在一起的**；
 *  **它们之间的领导和被领导关系是怎样的**。

对于第一个问题，可以打个比方：

*  我家仓库里有很多书，这些书最初是杂乱的堆积在地上，查找书籍非常痛苦。
 *  我先找来几个盒子，把同类书籍都放在相同的盒子里。此时，盒子上就可以贴上标签，比如，编程类图书、小说、厨艺书籍、杂志等等（当然分类可以更细）；
 *  接下来，我又找来更大的箱子，贴上标签：工作类的书籍、休闲类的书籍、要收藏的书籍、要捐献的书籍等等。然后把之前的几个纸盒子按照这些属性放置到大箱子里。
 *  最后，我给仓库贴了一个标签：傻孩子的私人藏书。如果家里来了同样是书虫的客人，便会不无炫耀的带着他们参观一番。

这种按照**功能**或者**某种功能原则**对内容进行归类，并套娃式的封装的行为，跟我们进行层次化封装时候所做的事情是一样的。如你所见，**如何分类、遵循怎样的原则是一个非常主观的事情**，可以非常确定的说，这里**没有永远正确的方法和标准**，只有不同人基于自己能力、阅历、经验以及项目的不同要求而做出的判断——很多时候，**评论他人的模块封装如何的不好，基本上就等于评论他人的能力或者品味——是引战的代名词**。

本文也许会不小心介绍一些所谓的“划分原则”，这里首先约定一下，无论我说的如何“言之凿凿”、仿佛是“普世真理”一般，请相信我，这仍然只是基于我个人的主观看法——并不具有任何客观性（这也是为什么我一再强调“计算机科学是唯心”的这一说法的原因）。基于这样的约定，如果你对我的所谓“划分原则”有什么腹诽，还请多多见谅，请记住这句话：**这里不存在什么“我是对的你就是错的”之类的问题——如果你坚持，那么结论就是“我是错的，你是对的”——结案了**。

原本平铺在地上的书被立体的堆积了起来，这就是层次框架；而堆积过程中的指导原则就是整个框架的设计理念——记住，混乱的理念也是理念；前后矛盾的理念也是理念——只要你把书堆起来了，就有一个理念，哪怕你说，“我没想那么多，也就是看到空盒子就装起来”——不好意思，这也是你的理念。

对应到软件框架上，我们可以看到，**实践中有大量理念混乱复杂的系统，仍然运行的非常好，**只不过人们亲切的称呼他们为**祖传屎山，**然后默默的敬而远之。

**一个****原作者离职就散架了****的****运作良好的著名****屎山****城堡**

![图片][f67f739fb4f585669fda852f8b51bd6a.png]

（图片来自网络，侵删）

实际上，**1）设计理念统一**、**2）简洁**、**3）可执行**且**4）执行力充分**是每一个好框架在设计之初都曾设立过的美好梦想——可惜最终基本上没有谁完全实现这一愿景——如果每一项都用5星来衡量的话，**对一个项目来说，平均下来这里列举的每一个目标都达到3星就是一个很好很好的软件框架了**。

**【模块化的胶水——锚点（Anchor Point）】**

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有些人看到这里会不耐烦了，说“别整这么多虚头八脑的东西，你就说要把模块堆起来不能平铺不得了，而且具体怎么堆起来，我爱怎么堆就怎么堆，对不对？”

对！Exactly！

![图片][1eb4ceca8d57fcea2a3516d6f849c7b2.gif]

下面我们就来整点实在的。既然模块是砖头，用砖头砌房子就要水泥（或者说粘合剂），那么这里的水泥是什么呢？我们知道，模块之间相互引用主要是依靠“\#include”来完成的。在Service模型中，我们强调过尽可能使用“相对路径”来描述文件之间的包含关系。那么问题立即就来了，**既然是相对路径，那么相对的是谁呢？这里提到的“谁”其实有一个更形象的名字——锚点（Anchro Point）**。当我们使用“\#include”进行文件包含的时候，实际涉及到的细节比我们想想的要多得多：

*  \#include 本质上就是将指定的文件直接“包含”到当前的文件中，这一工作在预编译阶段完成——当进入编译阶段时，已经看不到任何\#include了；
 *  **C编译器支持多个锚点**，用户可以通过命令行 "**-I<路径>**"的方式添加一个新的锚点（或者通过IDE用户界面的方式来辅助添加）；
 *  每一个\#include 都有一个**默认锚点**，也就是**\#include所在文件的当前目录**；
 *  对于每一个 "\#include"，编译器会按照一定的顺序尝试多个锚点——去看看，按照以某个锚点为基准的相对路径能不能找到对应的文件：如果找得到，则大功告成，找不到则再试试别的锚点。我们常说的 \#include <> 和 include "" 的区别就是编译器尝试锚点的顺序区别，其中：
    
     *  使用<> 表示编译器会首先从用户指定的锚点去查找路径，找不到了再去找**默认锚点**（也就是当前目录）；
     *  使用"" 表示编译器会首先尝试默认锚点，找不到了再去尝试用户指定的锚点；

基于上述事实，我们可以规定：

*  在一个层次框架模型中，**只允许使用相对路径来进行模块间的引用**；
 *  除了**默认锚点**外，一个层次框架中，应该包含一个指向模块顶层模块目录的锚点——我们称之为**根锚点**。
 *  当一个模块明确知道**自己所引用的目标模块**（或者头文件）**相对自己的位置在未来是不太可能会变化时**，推荐使用**默认锚点**——也就是以\#include所在文件自己为锚点来描述相对路径；
 *  当一个模块明确知道**自己与目标模块的相对位置在未来是很可能会变化**的；但**目标模块相对根锚点的位置却不太可能会变化时**，推荐使用**根锚点**来描述相对路径；
 *  在某些极端（且应该极力避免）的情况下，一个模块**完全不能确定目标模块的位置会如何变化**——也就是即不知道相对自己会怎么变化，也不知道目标模块相对根锚点会如何变化——此时，应该**直接\#include 目标文件名，而不包含任何路径信息**。这样做的目的本质上就是**甩锅给用户**——请“您”在**工程配置里**为这个“**只有您会知道会放在那里**”的目标模块配置一个锚点。我们把这种锚点叫做**用户锚点**。这里，我们**人为规定**：**应该****避免用户锚点的使用**——需要注意的是，这里没有任何客观的关于对错的判断，请避免不必要的对错性争论。

关于锚点说了这么多，那么实践中它有什么立马看得到的好处呢？我们不妨举个例子：

![图片][7b937a32e50de18948e74fcaacf7cdcd.png]

这是一个使用service模型进行“套娃”的文件包含示意图。根据之前所学的知识容易发现：**每个模块对外界来说唯一可见的部分就只有它的接口头文件**。基于这一事实，在描述庞大的层次结构时，我们就可以偷个懒——省略掉上图中的各种字面意义的“条条框框”——简单直接地就用一个头文件直接指代一个模块。于是，哪怕一个相对复杂的层次结构，也可以使用下图来轻松表示：

![图片][e2ece3fd17409354b1b5001bb590ba6b.png]

在介绍service模型的文章末尾，我们指出了一个令人头疼的问题：即，如果每个模块都有一个app\_cfg.h，那么层次结构下往往会有一串的“app\_cfg.h”。这一问题在IDE环境下进行头文件包含路径展开时尤为突出——简直到了不能容忍的地步——广大service模型爱好者亲切的称之为“**app\_cfg.h的鬼畜**”。借助锚点，我们就能轻松的解决这一问题，思路如下：

*  每一个拥有复杂纵深的大模块在最顶层，根据模块的名称建立一个唯一的配置头文件 "<模块名称>\_cfg.h"；
 *  删除所有子模块自己的 app\_cfg.h；
 *  由于该配置头文件相对模块顶层目录的位置是固定的，因此大模块内所有的文件都以相对**根锚点**描述的相对路径来包含"<模块名称>\_cfg.h"；

具体情况如下图所示（注意，为了美观，这里把每个子模块对"<模块名称>\_cfg.h"的\#include箭头都省略了）：

![图片][651e2d6444d4fdb438b267e97d086292.png]

这就是Service层次模型下利用根锚点来解决 app\_cfg.h 污染的解决方案。

**【模块间调用/引用规约】**

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在前面的章节中，我们说模块间的层次关系包含两个方面的内容：

*  **它们是如何组装在一起的**；
 *  **它们之间的领导和被领导关系是怎样的**。

其中，模块间的领导与被领导关系与现实中的公司内部结构非常类似，表现为部门间的协作原则也可以被“直接”拿过来用于指导模块间的协作关系。下面，我就为大家介绍三条关键的基本原则：

*  跨部门（必须）调老大原则；
 *  同部门（至少）平级调用原则；

以及

*  领导避讳原则。

**跨部门（必须）调用老大原则**

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该原则是说：如果一个模块内的文件（无论是.c还是.h）想包含一个模块，而该模块在另外一个**跟当前模块完全没有隶属关系的大模块内部**，则，我们“**只允许**” 通过包含那个大模块的**最顶层接口头文件**（也就是它们的老大）来实现模块间的引用。一个具体的例子如下图所示：

![图片][e00b60c5ecb0a60541930874bc2399f1.png]

在这一图中，左边方框所表示的模块尝试去包含右边大部门内的一个子模块（橙色虚线所示），根据“调老大”原则，**我们不能绕开“隔壁部门”的老大而去直接给它的小弟布置任务**。

**同部门（至少）平级调用原则**

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与跨部门的情况相对，如果我们**想引用的模块与自己属于同一个大部门**，而只是**在组织架构的不同分支上**，我们**起码**应该进行**“平级”调用**，即，如果目标模块比我们的层级更低，我们“起码”要找他的跟我们同一级别的领导来“对等交流”。具体如下图所示：

![图片][c7b6215bd033aec72c7c843fea6dd78a.png]

在图中，左边方框中的模块与右边它想包含的模块同属于一个大部门。由于“平级调用”原则的限制，**我们同样不能绕开隔壁团队的领导而去直接招呼人家的小弟**。

**领导避讳原则**

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其实在上一条原则中，我们使用了“**起码**”这一限制性的字眼，其实是因为，**在同部门中也应该尽可能“调老大”**，然而，为了**避免“循环包含”的问题**，我们**只针对接口头文件**（这条规则不限制.c）引入了一个专门的“**领导避讳原则**”——简单说就是：

*  对一个接口头文件来说，无论如何都不能直接或者间接的包含自己的“领导”；
 *  在这一前提基础上，我们应该尽可能也去“调老大”——哪怕隶属于同一大模块。

一个具体的例子如下图所示：

![图片][c2dbf18b7d8e424156fd90633fffa6cf.png]

在途中，一个模块的接口头文件试图去包含隔壁部门的小弟，考虑到“尽快可能掉老大”的要求，以及“避讳领导”的限制，图中就有了两条可行的包含方案（以蓝色箭头表示）——实际上，选择最大的有效领导（也就是斜向上的蓝色箭头所示的头文件）才是我们所推荐的。

其实，如果你理解了上述三条原则，你很快就会发现一句更为凝练的口诀，即：**避开自己的领导，尽可能调老大**，完毕。

**【不是结束的后记】**

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阅读本文以后，你可能会惊奇于为啥模块的层次模型与实际生活有那么多“惊人的相似”，其实，这是你本末倒置的结果——模块的层次模型本来就是以生活中的经验为灵感和原型引入工程实践中的——既然要解决的问题类似，借鉴已有的方案当然是最方便的了。在计算机科学中，这类现象可谓遍地都是。所以说，我们不应该光盯着高大上的技术和名词去”学习“和”自我提升“，更要清晰的记得：

*  计算机技术是“唯心的”，只不过，谁的话语权强大，谁说了算；
 *  除了少数与数学、物理、经济学（分配资源相关的知识）有关的硬核理论外，更多的计算机技术和术语都是像你我这样普普通的一线程序员从生活中借鉴而来的——所以说，加油吧，打工人。

[Link 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxMzc2ODMzNg==&mid=2656101930&idx=2&sn=ab113829b07ca918e3e9f6cea4545343&chksm=8039c5d5b74e4cc3f1b7f641d5dbe9b87930307505da4ae0983dbf81a8ae73e0233e8af52c0b&scene=21#wechat_redirect
[Service]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxMzc2ODMzNg==&mid=2656102469&idx=1&sn=4b62e69d37ea33e4e3641d395e377621&chksm=8039cbbab74e42ac1f5c9207c7da98842fe2d97bb346b9a65273e297aa929df976291f7244c1&scene=21#wechat_redirect
[Link 2]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxMzc2ODMzNg==&mid=2656102500&idx=1&sn=5fc36af0f5bb5dbe91d3b7ccf895db85&chksm=8039cb9bb74e428d6416e91235b5042011151299dbbcf39c79e947364637baaa6f5397bef26d&scene=21#wechat_redirect
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