C语言不完全类型与延迟定义

Posted 2022-06-21 善良超锅锅

一直以为我的C语言学的还可以，虽说不是出神入化，但是至少比较熟悉吧。但是前一段时间看了一篇微信推文，再百度了一下C语言不完全类型。发现我居然C语言不完全类型和用途甚广的延迟定义都没概念。这两天仔细查阅了相关概念并用代码实验了一下。

本文结构如下：

•  C语言不完全类型概念介绍
• 一个故事
• 延迟定义的优点
• 思考…

C语言不完全类型

不完全类型也就是不知道变量的所有的类型信息。比如可以声明一个数组，但是不给出该数组的长度；声明一个指针，但是不给出该指针的类型；声明一个结构体类型，但是不给出完整的结构体定义，只说它是一个结构体。但是最终你必须得给出完整的类型信息。要不然编译会报错的。编译器在编译某个单元时，如果遇到一个不完全类型的定义的类型或变量（假设它叫p），它会把这当作正常现象，然后继续编译该单元，如果在本单元内找不到p完整的类型信息，它就去其它编译单元找。如果把整个编译过程分为编译、链接两个过程。在编译阶段遇到不完全类型是正常的，但是在链接过程中，所有的不完全类型必须存在对应的完整类型信息，否则报错。

举个例子，下面的代码先声明了一个不完全类型的变量字符数组str，没有给出它的长度信息。然后再定义了一次str数组，这次给出的长度信息。

char str[];//不完全类型定义

char str[10];//终于遇到了str数组的完整类型信息，编译器松了一口气

注意：不完全类型定义不适合局部变量，如果把上面两行代码放在一个函数体中，会出现符号重定义错误。

不完全类型由于不包含具体的类型信息，所以不能通过sizeof来获得其大小。（编译器君的旁边：我连它的完整类型都不知道，我怎么告诉你它的大小。）下面的代码不能编译通过。它会报错 error: invalid application of `sizeof' to an incomplete type 不能对不完全类型使用sizeof。

#include<stdio.h>

 

char str[];

int n =sizeof(str);

char str[10];

 

int main()

      printf("%d ",n);

      return 0;

如果把int n = sizeof(str)放到charstr[10]后面就没事了。

再举一个结构体的例子。下面的代码先声明了一个不完全类型的结构体s。然后又定义了该结构体。

struct s;

struct s

      int a;

      int b;

;

一个故事，不完全类型的应用：延迟定义

（哈哈，终于要讲应用了，好激动！）

C语言的不完全类型的一般用作模块化编程中。现在假设你要实现一个保存字符的栈给你的程序员队友用。于是你写出了下面的代码。

//Stack.h

typedef structNode

      char       data;

      struct Node*       next;

Node;

 

typedef struct

      Node*    top;//只需要栈顶指针

      int num;

Stack;

/*为了快速返回栈中元素的个数，你用一个int变量来记录栈中元素的个数，在入栈和出栈时对num进行增减操作，这样在返回栈中元素的个数的时候，就可以直接返回num变量了。*/

 

/构造一个空栈S

voidInitStack(Stack **s);

//销毁栈S

voidDestroyStack(Stack **s);

//判断栈是否为空

intStackEmpty(Stack *s);

//返回栈的长度

intStackLength(Stack *s);

//用e返回栈顶元素

int GetTop(Stack*s,char *e);

//入栈

void Push(Stack*s,char e);

//弹出栈顶元素，并用e返回其值

int Pop(Stack*s,char *e);

为了不暴露实现细节，你将实现栈操作的各种实现代码封装成到了一个库文件中（静态、动态都行）。然后将这个.h文件和库文件信心满满的提交给了队友。并暗示自己“我果然是个牛x的程序员，小美一定会崇拜我、尊敬我、对我欲罢不能！不行，我要谦虚，当作什么也没发生”。

几个小时候，队友皱着眉头过来了。你心想“不对啊，怎么不是崇拜的眼神”。然后发生了下面的一段对话。

“你封装的什么啊？连个栈中元素的个数都统计不对”，队友很生气

“怎么可能？为了快速返回栈中元素的个数，我特意用了一个int变量来保存栈中元素的个数”你也很生气，明明用一个单独变量来保存元素个数是你的得意之处，居然被人说不对。

“我知道，可就是不对”，队友坚持说你不对。

然后为了找出问题，你和队友一起检查他写的代码。你发现他写了如下代码。

…

Push(s);

++(s->num);

…

Pop(s,&e);

--(s->num);

原来队友在压栈和出栈时都对栈s的num进行了加减操作。

你：“为什么你要动我的num？”

队友：“你的num不是用来保存栈中元素的个数的吗？我压栈、出栈当然要对它进行增减啊！”

你：“我在实现代码中已经这么做了。”

原来你以为理所当然的事，队友却和你想的不一样。然后你告诉他不要多事，num的大小由你来维持。你们终于又可以一起愉快的玩耍了。

但是你在队友的代码里还是发现像下面一些不爽的代码，这让你感到膈应。

e =s->top->data;

int len =s->num;

为了获得栈顶元素，他没有用你提供的GetTop函数，而是自作主张的直接通过指针直接访问栈内部的top指针。而且没用你给的StackLength函数，而是直接访问栈结构体的num成员。虽然你可以和他沟通，让他不要自己去访问你的实现细节。但是你不能保证他会完全听你的。能不能从技术上解决这个问题呢？个人觉得，团队协作时，能从技术上解决的事，不必从沟通上解决。这样可以减少团队沟通成本。扯多了，回到刚才的问题——我们能否从技术上解决这个问题？

问题分析和解决方法

回头看看我们刚才写的代码。队友会直接访问我们封装的内部细节，是因为他看到了我们给的.h文件中结构体的详细定义。那么能不能去掉.h文件中Stack结构体的定义呢？显然不行，因为我们给出的几个函数接口都要用到Stack类型的参数，如果用户看不到Stack的定义，那他怎么定义Stack类型的变量然后传递给这些接口函数呢？答案是，我们给出Stack结构体类型的定义，但是不给出Stack结构体的详细信息。也就是前面讲到的不完全类型定义。改进后的代码如下。

//Stack.h

typedef structSqStack Stack;

//…各个函数接口定义

//Stack.c

typedef structNode

      char       data;

      struct Node*       next;

Node;

struct SqStack

      Node*    top;

      int num;

;

在改进后的代码中，我们只是定义了一个不完全类型struct SqStack结构体，并用typedef将其和Stack名的类型等价。而将SqStack结构体的详细定义放到了.c文件中。这样将.h文件和库文件提交给队友后，他再也看不到Stack的详细信息了。这下，他就没有直接访问结构体内部的冲动了。（看你丫还怎么访问？老老实实用哥提供的函数接口吧！）队友看不到Stack结构体的内部是怎么定义的，自然也不知道怎么访问，而且任何通过Stack类型指针变量的访问方式都会让编译器报错。这下，我再也不用担心队友的愚蠢了。

上面讲到的，在头文件中只定义一个结构体的不完全类型，而将结构体的详细定义推迟到在.c文件的方式就叫“延迟定义”。

延迟定义带来的其它好处

在上面的实例过程中，虽然我们是为了隐藏实现细节才使用的延迟定义。但是延迟定义也带来了其它好处。另一个好处就是，我们可以以很小的工作量代价来更改实现。比如我们发现Stack结构的实现有bug需要修正，或者我们想将内部的栈的链式存储改为顺序存储。我都可以直接在.c文件中修改，然后重新编译生成新的库文件，不需要修改.h文件，因为我们的接口函数并不需要变。将库文件提交给用户，用户只需替换原来旧的库文件，而不需要修改代码。如果是动态链接库，用户只需替换库文件就行。如果是静态库，用户只需替换库后重新链接一下。至始至终，用户都不需要修改代码，不需要重新编译自己的客户端代码。

如果没有用延迟定义，将内部细节放在.h文件中，那修改细节后，用户的客户端代码也需要重新编译。

 延迟定义的优点

我们来总结一下延迟定义的优点：

1.       隐藏了内部实现细节，强制用户按接口规则访问。减少沟通成本。

2.       便于修改。

上面两点都是实现模块化编程所必须的。而且个人认为，站在客户的角度，知道的细节越少越好，知道的越多，要记忆和思考的东西也越多。就像电视剧中的经典台词：“有时候知道的太多并不是好事”。角色被人干掉的理由也是“你知道的太多了”，或者“你知道了你不该知道的事情”。我只按照既定的规则来访问别人提供的代码，有什么问题直接问别人，而不是看实现代码。按照既定规则来访问也便于职责划分。如果非要总结延迟定义带来的第3个好处，个人认为是：便于职责划分，清晰职责边界。

 

 

思考…

Q：既然延迟定义便于模块化编程，那C++、Java等面向对象的语言中有用到延迟定义类似的技术吗？

A：当然有，只是面向对象语言中不叫“延迟定义”。而是叫封装、访问权限、接口和多态。类的封装和访问权限可以阻止客户访问类的实现细节，而接口和多态可以隐藏实现细节。当然它们的好处不只这些。