C 語言面向對象的封裝方式(示例)

前一篇文章《C 語言面向對象的封裝方式》，我介紹了C語言編程常見的兩種代碼組織方式：

1）函數和數據結構分離

2）封裝

并從原理上講述這兩種方式的根本區別。

大型項目中，推薦采用封裝的方式，有利于團隊協作和每個模塊獨立演進。

本文，給出一個代碼示例，具體展示這兩種方式在代碼實現上的差別。

業務場景描述如下：

對于數據庫、文件系統、存儲系統等，數據通常以頁(Page)為單位，在數據文件中進行組織。服務進程以頁為最小IO單位從磁盤上讀出，并在內存中緩存這個頁面。后續業務過程如果讀取的數據在這個頁中，則直接從內存頁獲取數據。如果要寫入新數據，或者要更改原來的數據，則需要找到剩余空間能滿足新寫入數據大小的Page，然后在目標頁中進行寫入或者數據修改的動作。由于頁上可能會有并發讀寫操作，因此需要注意加鎖。

一個數據頁(Page)的內部結構，示例如下:(postgresql的數據頁)

PageHeader 是頁頭部的控制信息，其結構如下：

我們實現數據寫入(insert)和scan過濾兩種場景，看用兩種不同的代碼組織方式，在代碼實現上的差別(代碼進行了簡化，不考慮事務等復雜因素)。

(方式一) 函數和數據結構分離

調用者的邏輯：

向Page中寫入一行數據：

int insert_row(...) { // 計算要寫入的行所需的空間大小 int row_size = ....; // 找到剩余空間滿足這個要求的Page page_header_t* phpage = find_page(row_size); // 加鎖，避免并發寫 lock_write(phpage); // 寫入row header char* pbegin = (char*)phpage + pheader->pd_upper - row_size; row_header_t* phrow = (row_header_t*)pbegin; phrow->len = row_size - sizeof(row_header_t); phrow->xxx = ....; // 寫入row的各個列數據 char* pcol = (char*)phrow + sizeof(row_header_t); memcpy(pcol, ....); .... // 找到空閑的itemid槽位 item_id_t* pitemid = (item_id_t*)((char*)phpage + sizeof(page_header_t)); while (LP_UNUSED != pitemid->flags) pitemid++; // 寫入row對應的槽位信息 pitemid->offset = (char*)phrow - (char*)phpage; pitemid->LP_NORMAL; // 解鎖 unlock_write(phpage); return SUCCESS; }

讀取page中的各行記錄，根據條件過濾(比如 where id>2):

int scan_row(page_header_t* phpage, filter...) { // 加讀鎖 lock_read(phpage); // 遍歷itemid, 只查找有效行 item_id_t* pitemid = (item_id_t*)((char*)phpage + sizeof(page_header_t)); while (LP_UNUSED != pitemid->flags) { if (LP_NORMAL == pitemid->flags) { // 有效行 row_header_t* phrow = (row_header_t*)((char*)phpage + pitemid->offset); // 判斷此行是否滿足過濾條件 ...... } pitemid++; } // 解鎖 unlock_read(phpage); }

從上面的數據讀寫兩個函數，我們可以看出，在函數和數據結構分離的模式下的特點：

1）數據結構的內部成員，對調用者都是可見的，都是可讀寫的；

上例中，page_header_t, item_id_t, row_header_t這些數據結構內部的成員，調用者都是知道的，并且可以直接讀寫的。

2）數據結構之間的關系，調用者也是知道的；

上例中，page_header_t的后面就是一系列row_id_t, 這些row_id_t的后面是空閑空間，每行數據從page后面逐個向前分配空間；

3) 調用者根據1)和2)的信息，自己來編寫自己的業務邏輯，對這些數據結構的成員進行讀寫控制，最終形成各種業務函數。

4）需要多少個業務函數，是調用者來決定的。調用者可以根據業務需求，隨時增減業務函數。

這種模式下，需要數據結構保持長期穩定狀態。一旦數據結構發生變化，那么調用者設計的各種業務函數，基本都需要修改，哪怕只是把數據結構的一個成員名字修改了，也會導致大量的函數無法通過編譯。

而工程實踐中，需求變更是常態，尤其是做有技術競爭力的產品，對底層數據結構、實現邏輯進行大幅度優化改進，也是經常發生的。

因此，我們更希望用封裝模式，來組織代碼。

這兩種方式的根本區別，用下圖來展示：

在封裝的設計下，代碼上有了一些顯著的變化：

1）數據結構的成員，對調用者不可見。調用者無法直接對數據結構的成員變量進行讀寫，只能通過特定的函數來操作這些數據結構。

這些操作函數，是數據結構的設計者提供的，我們把這些操作函數叫接口函數。

2）接口函數，不僅屏蔽掉數據結構的成員變量，還屏蔽掉數據結構之間的關系，甚至有些數據結構調用者根本就不知道其存在。

3）接口函數，是面向使用者進行設計，而非面向底層數據結構進行設計。對業務場景進行分析，提取共性，進行接口抽象，最終形成接口函數。

4）接口函數的函數名、參數類型和返回值，都要充分體現業務語義，屏蔽底層數據結構的具體實現細節。

再回到對數據頁(Page)進行讀寫操作的例子上，我們用封裝的思想，重新設計一下代碼：

服務層：

1. 數據結構體 page_header_t，item_data_t, row_header_t 的成員結構無需調整，但我們需要把它們的定義放到.c文件中，這樣調用者就不能直接訪問他們的成員了。可以用指針，但不能用指針訪問其成員。

2. 設計接口函數，封裝業務語義，主要有：

寫入行：

1) 為了寫入，要獲取滿足空間的頁面，返回已經鎖定的頁面

page_header_t* find_page_for_write(int row_size);

2) 寫入row數據

int write_row_to_page(page_header_t* phpage, void* pdata, int row_size);

3）釋放鎖定的頁面

int release_page_for_write(page_header_t* phpage);

讀取page，返回各個行數據：

1）準備掃描page（內部加讀鎖）

page_scan_t page_scan_begin(page_header_t* phpage);

2）掃描下一行, 返回0 表示找到一個有效行

int page_scan_next(page_scan_t* pscan, void** prow, int* row_size);

3) 結束掃描(內部釋放鎖)

int page_scan_end(page_scan_t* pscan);

業務層：

調用者的代碼，重新設計為：

int insert_row(...) { // 計算要寫入的行所需的空間大小 int row_size = ....; // 找到剩余空間滿足這個要求的Page page_header_t* phpage = find_page_for_write(row_size); // 寫入row int iret = write_row_to_page(phpage, pdata, row_size); // 釋放頁面 iret = release_page_for_write(phpage); return iret; }

讀取page中的各行記錄，根據條件過濾(比如 where id>2):

int scan_row(page_header_t* phpage, filter...) { page_scan_t scan = page_scan_begin(phpage); void* prow = NULL; int row_size = 0; while (!page_scan_next(&scan, &prow, &row_size)) { // 應用filter，判斷此行是否滿足條件 ...... } page_scan_end(&scan); return SUCCESS; }

我們看到，通過封裝，調用者的代碼邏輯更加清晰簡潔，并且與底層數據結構充分解耦，各自可以獨立演化，互相不影響。

因此，大型項目，強烈推薦采用封裝的方式進行代碼組織設計。

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C 語言 數據結構 面向對象編程

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