程序员想什么之：模块化

Posted 2021-04-27 老王AI路

模块化

如果你是一个新手程序员，或者新加入一家公司，不太熟悉业务流程，你会对代码的哪些方面感兴趣呢？

我一般会对这两个方面比较感兴趣：

1. 程序的启动阶段干了什么？

2. 程序的各个模块是如何调用的？

第2点包含了一个很重要的计算机思维：模块化。

「吴军的谷歌方法论」讲如何掌握计算机思维时，提到了模块化原则：

我们在生活中，做一个桌子，或者一个椅子，会直接去做。而在计算机的世界里，永远是先制作几个非常简单，能够大量复制的乐高积木块，然后用很多这样简单的模块，搭出复杂的桌子和椅子。

在软件世界里，模块是之于系统的一个概念，极客时间李运华讲架构的专栏里说(来自维基百科)：

系统泛指由一群有关联的个体组成，根据某种规则运作，能完成个别元件不能单独完成的工作的群体。是总体、整体或联盟的意思。

软件模块是一套一致而互相有紧密关连的软件组织。它分别包含了程序和数据结构两部分。现代软件开发往往利用模块作为合成的单位。模块的接口表达了由该模块提供的功能和调用它时所需的元素。模块是可能分开被编写的单位。这使它们可再用和允许人员同时协作、编写及研究不同的模块。

总结一下就是：模块是从逻辑的角度对系统进行拆分后得到的。其实在软件构建开始阶段就需要考虑模块化了，这就是设计，设计需要在不同的细节层次上进行，大概有5个层次：

1. 软件系统

2. 分解为子系统和包

3. 分解为包中的类

4. 分解为类中的数据和子程序

5. 子程序内部

从机器指令到高级语言

我们知道，用原始的机器指令或汇编语言编写程序十分费事和乏味，效率低下，而且依赖于特定机器的CPU，这几乎是令人无法接受的。人们期望能够采用类似自然语言的语言来描述程序。

但自然语言的形式不够精确，所以类似于数学定义的编程语言很快就诞生了，20世纪的六七十年代诞生了很多高级语言。

FORTRAN语言。产生于50年代，是世界上第一个高级程序设计语言，由John Backus领导的一个小组研制。Backus当时一边开发FORTRAN语言，一边研究如何将这种代数语言翻译成机器语言，当时人们很关心这种语言被翻译后执行效率如何。FORTRAN最早引入了与汇编语言中助记符有本质区别的变量的概念，这奠定了程序设计语言中名字理论的基础。它所引入的表达式、语句、子程序等概念也是高级程序设计语言的重要基石。

FORTRAN语言因为高效率和完善的输入输出功能得到像IBM这样大公司的支持，一直受到人们的欢迎，至今仍在科学计算领域内使用。FORTRAN是一个固定格式的块结构语言，在某种意义上这是模块程序设计和分别编译概念的始祖。

可见，程序设计模块化的思想由来已久，程序模块化一直是人们追求的目标。一个软件太复杂时，我们不得不把它分割为一个个小的代码模块，各个突破，然后再根据需要将它们组装起来，这个组装模块的过程就是链接。链接的主要内容就是把各个模块之间互相引用的部分都处理好，使得各个模块之间能够正确地衔接。

刚才提到，我们需要将高级语言翻译成计算机硬件认识的东西，即0和1这两种状态。这个翻译的过程可分为：预编译、编译、汇编、链接四个过程。

预编译过程主要处理代码中以#开始的预编译指令，比如#include、#define等，经过预编译后的文件，不再包含任何宏定义，所有的宏已经被展开。

编译过程则是把预编译处理完的文件进行一系列词法分析、语法分析、语义分析及优化，生成汇编代码文件。

汇编过程是汇编器将汇编代码转变为机器可以执行的指令，每一个汇编语句几乎都对应一条机器指令。

链接的概念早于高级语言

有了前面认识，我们再仔细看一下汇编和链接的概念是如何产生的。计算机的程序开发并非一开始就有着复杂的自动化编译、链接过程。最开始，程序员将程序在纸上写好，都是些机器指令，程序需要被执行时，再写到当时的存储设备(纸带)上，即在纸带上打孔表示相应的机器指令，如穿孔表示0，未穿孔表示1。

这种事，程序员显然是不能忍的，于是就想到了用符号来帮助记忆，比如跳转到程序某个位置这样编写：

jmp    foo

有个汇编之后，生成力得到解放。软件规模日益膨胀，人们开始将代码按照功能或性质划分，分别形成了不同的功能模块，如C语言中的.c源代码文件，包含变量和函数这样的最小单位；更高级的语言如Java，每个类是一个基本的模块，若干个类模块组成一个包，若干个包组合成一个程序。

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