函数指针与软件设计

记得刚开始工作时，一位高手告诉我，说，longjmp和setjmp玩得不熟，就不要自称为C语言高手。当时我半信半疑，为了让自己向高手方向迈进，还是花了一点时间去学习longjmp和setjmp的用法。后来明白那不单是跳来跳去那样简单，而是一种高级的异常处理机制，在某些情况下确实很有用。为了显示自己的技巧，也在自己的程序中用过几次。渐渐发现这样的技巧带来的好处是有代价的，破坏了程序的结构化设计，程序变得很难读，尤其对新手来说。终于明白这种技巧不过是一种调味料，在少数情况使用几次，可以简化对问题的处理。假如把调味拿来当饭吃，一定会本末倒置，写出的程序会呈现营养不良之状。事实上，longjmp和setjmp玩得熟不熟与是不是C语言高手，不是因果关系。但是，假如可以套用那位高手的话，我倒想说假如函数指针玩得不熟，就不要自称为C语言高手。为什么这么说呢，函数指针有那么复杂吗？当然不是，任何一个稍有编程常识的人，不管他懂不懂C语言，在10分钟内，我想他一定可以明白C语言中的函数指针是怎么回事。原因在于，难的不是函数指针的概念和语法本身，而是在什么时候，什么地方该使用它。函数指针不仅是语法上的问题，更重要的是它是一个设计范畴。真正的高手当然不单应该懂得语法层面上的技巧，更应该懂得设计上的方法。不懂设计，能算高手吗？怀疑我在夸大其辞吗？那我们先看看函数指针与哪些设计方法有关： 与分层设计有关。分层设计早就不是什么新的概念，分层的好处是众所周知的，比较明显好处就是简化复杂度、隔离变化。采用分层设计，每层都只需关心自己的东西，这减小了系统的复杂度，层与层之间的交互仅限于一个很窄的接口，只要接口不变，某一层的变化不会影响其它层，这隔离了变化。分层的一般原则是，上层可以直接调用下层的函数，下层则不能直接调用上层的函数。这句话说来简单，在现实中，下层经常要反过来调用上层的函数。比如你在拷贝文件时，在界面层调用一个拷贝文件函数。界面层是上层，拷贝文件函数是下层，上层调用下层，理所当然。但是假如你想在拷贝文件时还要更新进度条，问题就来了。一方面，只有拷贝文件函数才知道拷贝的进度，但它不能去更新界面的进度条。另外一方面，界面知道如何去更新进度条，但它又不知道拷贝的进度。怎么办？常见的做法，就是界面设置一个回调函数给拷贝文件函数，拷贝文件函数在适当的时候调用这个回调函数来通知界面更新状态。 与抽象有关。抽象是面向对象中最重要的概念之一，也是面向对象威力强大之处。面向对象只是一种思想，大家都知道，用C语言一样可以实现面向对象的编程。这可不是为了赶时髦，而是一种实用的方法。假如你对此表示怀疑，可以去看看GTK+、Linux kernel等开源代码。接口是最高级的抽象。在linux kernel里面，接口的概念无处不在，像虚拟文件系统(VFS)，它定义一个文件系统的接口，只要按照这种接口的规范，你可以自己开发一个文件系统挂上去。设备驱动程序更是如此，不同的设备驱动程序有自己一套不同的接口规范。在自己开发设备开发驱动程序时，只要遵循相应的接口规范就行了。接口在C语言中如何表示？很简单，就是一组函数指针。 与接口与实现分开有关。针对接口编程，而不是针对实现编程，此为《设计模式》的第一条设计准则。分开接口与实现的目标是要隔离变化。软件是变化的，假如不能把变化的东西隔离开来，导致牵一发而动全身，代价是巨大的。这是大家所不愿看到的。 C语言既然可以实现面向对象的编程，自然可以利用设计模式来分离接口与实现。像桥接模式、策略模式、状态模式、代理模式等等，在C语言中，无一不需要利用函数指针来实现。 与松耦合原则有关。面向过程与面向对象相比，之所以显得苍白无力，原因之一就是它不像面向对象一样，可以直观的把现实模型映射到计算机中。面向过程讲的是层层控制，而面向对象更强调的对象间的分工合作。现实世界中的对象处于层次关系的较少，处于对等关系的居多。也就是说，对象间的交互往往是双向的。这会加强对象间的耦合性。
耦合本身没有错，实际上耦合是必不可少的，没有耦合就没有协作，对象之间无法形成一个整体，什么事也做不了。要害在于耦合要恰当，在实现预定功能的前提下，耦合要尽可能的松散。这样，系统的一部分变化对其它部分的影响会很少。函数指针是解耦对象关系的最佳利器。Signal(如boost的signal和glib中的signal)机制是一个典型的例子，一个对象自身的状态可能是在变化的（或者会触发一些事件），而其它对象关心它的变化。一旦该对象有变化发生，其它对象要执行相应的操作。假如该对象直接去调用其它对象的函数，功能是完成了，但对象之间的耦合太紧了。如何把这种耦合降到最低呢，signal机制是很好的办法。它的原理大致如下：其它关注该对象变化的对象主动注册一个回调函数到该对象中。一旦该对象有变化发生，就调用这些回调函数通知其它对象。功能同样实现了，但它们之间的耦合度降低了。在C语言中，要解决以上这些问题，不采用函数指针，将是非常困难的。在编程中，假如你从没有想到用函数指针，很难想像你是一个C语言高手。