关于系统程序员的一些感悟

不知是什么时候在网上找到一篇文章，说实话，确实不错。至于作者之类的，在网络这个神奇的地方，也无从考证了。也就贴一些写得比较好的地方吧。

软件开发的困难在哪里？对于这个问题，不同的人有不同的答案，同一个人在不同职业阶段也会有不同的答案。作为一个系统程序员来说，我认为软件开发有两大难点：

一是控制软件的复杂度。

软件的复杂度越来越高，而人类的智力基本保持不变，如何以有限的智力去控制无限膨胀的复杂度？我经历过几个大型项目，也分析 过不少现有的开源软件，我得出一个结论：没有单个难题和技术细节是我们无法搞定的，而所有这些问题出现在一个项目中时，其呈指数增长的复杂度往往让我们束手无策。

二是隔离变化。

用户需求在变化，应用环境在变化，新技术不断涌现，所有这些都要求软件开发能够射中移动的目标。即使是开发基础平台软件，在超过几年 时间的开发周期之后，需求的变化也是相当惊人的。需求变化并不可怕，关键在于变化对系统的影响，如果牵一发而动全身，一点小小的变化可能对系统造成致命的影响。

为了解决这两个问题，方法学家们几十年来不断努力，他们发明或改进软件的开发过程和设计方法。系统程序员面对的基础软件通常都是大型的复杂的软件，其通用性也要求能容纳更多变化，解决这两个问题也是系统程序员成长计划的主要目标。

温伯格说过，医生的药方包括药物和服药的方法，两者缺一不可。同样的教材，不同的学习方法，效果也有很大差别。

• 操作系统使Linux。

Linux是最适合程序员使用的操作系统，它是开源的，有多种不同的发行版可以免费使用，这些发行版默认安装就带了开发工具。学习Linux本身就需要一本书，如果你从来没接触过Linux，也不用惊慌，花几个小时学会十来个常用的命令就够了，其它的以后慢慢再学。

• 编辑器使用VIM。

编辑器的功能是创建源文件，也就是把我们编写的代码输入到电脑中。vim和emacs是Linux下最流行的 代码编辑器，vim入门更简单，功能也很强大。它支持查找剪切替换等基本编辑功能，也支持符号跳转和代码补全等高级编辑特性。vimtutor是最好的入 门教材，初学者跟着这个tutor学习一遍就可以用它来编程了，等用得比较熟练之后，再去掌握那些高级功能。你掌握得越熟练，你就能更高效的工作，这个投 资是值得的。

• 编译器使用gcc。

编译器的功能是把源代码翻译成计算机可以“读懂”的机器语言。在Linux下可用的C编译器有好几个，gcc 是其中最流行的，大多数发行版都默认安装了gcc。gcc的参数很多，看起来很复杂，我们只掌握最简单的用法就好了，大概像这样的：
gcc -g test.c -o test。

• 调试器使用gdb。

调试器的功能是帮助程序员定位错误，这是最后一招，也是最不期望的一招，使用调试器越多通常说明你的水平越 差，不过对初学者来说，掌握这个工具必不要可少的。gdb的功能强大，推荐读者使用命令行的gdb，它更灵活更方便。读者先掌握如何设置断点、显示变量和 继续执行等基本操作就行了。

• 工程管理使用make。

make是Linux下最流行的工程管理工具，Makefile是make的输入文件，它本身就相当于一 种编程语言，执行make相当于调用其中的函数。编写Makefile是一件繁琐无趣的工作，幸好我们不用学习它，后面我们会讲解make的改进版 automake，现在你能写出下面这种简单的Makefile就行了：
all:
gcc -g test.c -o test
clean:
rm -f test
在这里，你可以把all看作一个函数名，gcc -g test.c -o test是函数体(前面加tab)，它的功能是编译test.c成test，在命令行运行make all就相当于调用这个函数。clean是另外一个函数，它的功能是删除test。如果你有时间学习一下Makefile当然更好，如果没有时间，了解这么多也够了。

需求简述：
或许你还在欣赏用良好代码风格重新编写的双向链表，看起来不错，不是吗？不过这还远远不够，专业程序员要有精益求精的精神。至于要精到什么程度，与 具体需求有关，如果只是写个小程序验证一下某个想法，那完成需要的功能就行了，如果是开发一个基础程序库，那就要考虑更多了。侯捷先生说过，学从难处学， 用从易处用。这里我们是学习，就要精
得不能再精为止，精到钻牛角尖为止。在后面的几章中，我们将对这个双向链表进行持续的重构，这个过程是循序渐近的，请 读者不要着急，稳扎稳打的学习是才最好的。在这一节
中，我们要学习的是程序的封装性，请读者思考下面几个问题：
1． 什么是封装？
2． 为什么要封装？
3． 如何实现封装？
花上半小时去思考，尝试回答上述问题，然后按你的想法重写双向链表。

1.什么封装？
人有隐私，程序也有隐私。有隐私不是什么坏事，没有隐私人就不是人了，程序也不成其为程序了。问题是隐私不应该让别人知道，否则伤害的不仅仅是自 己，相关人物也会跟着倒
霉，“艳照门”就是个典型的例子。程序隐私的暴露，造成的伤害不一定有“艳照门”大，也不一定比它小，反正不要小看它就行了。封装 就是要保护好程序的隐私，不该让调用者
知道的事，就坚决不要暴露出来。
2.为什么要封装？
总体来说，封装主要有以下两大好处(具体影响后面再说):
隔离变化。

程序的隐私通常是程序最容易变化的部分，比如内部数据结构，内部使用的函数和全局变量等等，把这些代码封装起来，它们的变化不会影响系统的其它部分。降低复杂度。接口最小化是软件设计的基本原则之一，最小化接口容易被理解和使用。封装内部实现细节，只暴露最小的接口，会让系统变得简单明了，在一定程度上降低了系统的复杂度。
3.如何封装？
隐藏数据结构暴露内部数据结构，会使头文件看起来杂乱无章，让调用者发蒙。其次是如果调用者图方便，直接访问这些数据结构的成员，会造成模块之间紧密耦合，给以 后的修改带来困难。隐藏数据结构的方法很简单，如果是内部数据结构，外面完全不会引用，则直接放在C文件中就好了，千万不要放在头文件里。如果该数据结构 在内外都要使用，则可以对外暴露结构的名字，而封装结构的实现细节，做法如下：
在头文件中声明该数据结构。
如：
struct _LrcPool;
typedef struct _LrcPool LrcPool;
在C文件中定义该数据结构。
struct _LrcPool
{
size_t unit_size;
size_t n_prealloc_units;
};
提供操作该数据结构的函数，哪怕只是存取数据结构的成员，也要包装成相应的函数。
如：
void* lrc_pool_alloc(LrcPool* thiz);
void lrc_pool_free(LrcPool* thiz, void* p);
提供创建和销毁函数。因为只是暴露了结构的名字，编译器不知道它的大小(所占内存空间)，外部可以访问结构的指针(指针的大小的固定的)，但不能直接声明结构的变量，所以有必要提供创建和销毁函数。
如：
这样是非法的：LrcPool lrc_pool;
应该对外提供创建和销毁函数。
LrcPool* lrc_pool_new(size_t unit_size, size_t n_prealloc_units);
void lrc_pool_destroy(LrcPool* thiz);
任何规则都有例外。有些数据结构纯粹是社交型的，为了提高性能和方便起见，常常不需要对它们进行封装，比如点(Point)和矩形(Rect)等。当然封装也不是坏事，MFC就对它们作了封装，是否需要封装要根据具体情况而定。
隐藏内部函数
内部函数通常实现一些特定的算法(如果具有通用性，应该放到一个公共函数库里)，对调用者没有多大用处，但它的暴露会干扰调用者的思路，让系统看起 来比实际的复杂。函数名
也会污染全局名字空间，造成重名问题。它还会诱导调用者绕过正规接口走捷径，造成不必要的耦合。隐藏内部函数的做法很简单：
在头文件中，只放最小接口函数的声明。
在C文件上，所有内部函数都加上static关键字。
禁止全局变量
除了为使用单件模式(只允许一个实例存在)的情况外，任何时候都要禁止使用全局变量。这一点我反复的强调，但发现初学者还是屡禁不止，为了贪图方便而使用全局变量。请读者从现在开始就记住这一准则。
全局变量始终都会占用内存空间，共享库的全局变量是按页分配的，那怕只有一个字节的全局变量也占用一个page，所以这会造成不必要空间浪费。全局 变量也会给程序并发造成困难，想把程序从单线程改为多线程将会遇到麻烦。重要的是，如果调用者直接访问这些全局变量，会造成调用者和实现者之间的耦合。
在整个系统程序员成长计划中，我们都是以面向对象的方式来设计和实现的(封装就是面向
对象的主要特点之一)。为了避免不必要的概念混淆，这里先解释一下对象和类：
关于对象：对象就是某一具体的事物，比如一个苹果, 一台电脑都是一个对象。每个对象都是唯一的实例，两个苹果，无论它们的外观有多么相像，内部成分有多么相似，两个苹果毕
竟是两个苹果，它们是两个不同的对 象。对象可以是一个实物，也可以是一个概念，比如一个苹果对象是实物，而一项政策就是一个概念。在软件中，对象是一个运行时概念，它只
存在于运行环境中， 比如：代码中并不存在窗口对象这样的东西，要创建一个窗口对象一定要运行起来才行。
关于类：对象可能是一个无穷的集合，用枚举的方式来表示对象集合不太现实。抽象出对象的特征和功能，按此标准将 对象进行分类，这就引入类的概念。类就是一类事物的统称，
类实际上就是一个分类的标准，符合这个分类标准的对象都属于这个类。当然，为了方便起见，通常只 需要抽取那些对当前应用来说是有用的特征和功能。在软件中，类是一个设计
时概念，它只存在于代码中，运行时并不存在某个类和某个类之间的交互。我们说，编 写一个双向链表，实际上指的是双向链表这个类。
C语言里并没有类这个概念，我也不想因为引入这个概念让读者感到迷惑。在后面的讲述中，我不会刻意区分类和对象，我们说对象，可能是指单个对象，也 可能是指对象所属的类，要根据上下文进行区分(这种区分通常是很直观的)。我并不是这种做法的首创者，见过好几本书都是这样做的，希望挑剔的读者不要在这 个概念问题上纠缠。

好了，如果你实现的双向链表没有达到这个标准，请重做一遍练习吧。