使用C語言實例描述程序中的內聚和耦合問題

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編程時，我們講究的是高內聚低耦合，在協同開發、代碼移植、維護等環節都起到很重要的作用。

一、原理篇

而低耦合，是指模塊之間盡可能的使其獨立存在，模塊之間不產生聯系不可能，但模塊與模塊之間的接口應該盡量少而簡單。這樣，高內聚從整個程序中每一個模塊的內部特征角度，低耦合從程序中各個模塊之間的關聯關系角度，對我們的設計提出瞭要求。

程序設計和軟件工程發展過程中產生的很多技術、設計原則，都可以從內聚和耦合的角度進行解讀。作為C語言程序設計的初學者，結合當前對於函數的理解可達到的程度，我們探討一下如何做到高內聚低耦合。

針對低耦合。耦合程度最低的是非直接耦合，指兩個函數之間的聯系完全是通過共同的調用函數的控制和調用來實現的，耦合度最弱，函數的獨立性最強。但一組函數之間沒有數據傳遞顯然不現實，次之追求數據耦合，調用函數和被調用函數之間隻傳遞簡單的數據參數，例如采用值傳遞方式的函數。

有些函數數在調用時，利用形式參數傳地址的方式，在函數體內通過指針可以修改其指向的作用域以外的存儲單元，這構成瞭更強的耦合，稱為特征耦合，在這裡，使函數之間產生聯系的是地址這樣的特征標識。另外，有兩個函數可能會打開同一個文件進行操作，這也構成瞭特征耦合的一種形式。

更強的耦合是外部耦合，這裡，一組模塊都訪問同一全局變量，而且不通過參數表傳遞該全局變量的信息，當發現程序執行結果異常時，很難定位到是在哪個函數中出瞭差錯。不少初學者覺得參數傳遞麻煩，將要處理的數據盡可能地定義為全局變量，這樣，函數之間的接口簡單瞭，但形成的是耦合性很強的結構。

在C語言中，還可以通過靜態局部變量，在同一個程序的兩次調用之間共享數據，這也可以視為是一種外部耦合，隻不過靜態局部變量的作用域限於函數內部，其影響也隻在函數內部，耦合程度比使全局變量也還是弱很多。由此，我們可以理解前述在使用全局變量、靜態局部變量時提出的“用在合適的時候，不濫用”的原則。

針對高內聚。內聚程度最高的是功能內聚，模塊內所有元素的各個組成部分全部都為完成同一個功能而存在，共同完成一個單一的功能，模塊已不可再分。這樣的函數功能非常清晰、明確，一般出現在程序結構圖的較低被調用的層次上。

次之的是順序內聚，一個函數中各個處理元素和同一個功能密切相關，通常前一個處理元素的輸出是後一個處理元素的輸入。對於這樣的函數，如果不致於產生高耦合的話，可以分開兩個函數實現。

有的函數，其中的不同處理功能僅僅是由於都訪問某一個公用數據而發生關聯，這稱為通信內聚和信息內聚，內聚程度進一步下降。內聚程度再低的情況就不再一一列舉，最差的偶然內聚中，一個函數內的各處理元素之間沒有任何聯系，隻是偶然地被湊到一起。

可以想像這樣的模塊東一榔頭西一錘子，類似一個毫無凝聚力的團夥，對應的是低質量。總之，在解決問題劃分函數時，要遵循“一個函數，一個功能”的原則，盡可能使模塊達到功能內聚。

要做到高內聚低耦合，重點是要在寫代碼之前花些時間做好設計。在下面的例子中，將討論結合具體的問題，如何將以上的因素考慮進去。

二、示例篇

本例受裘宗燕老師《從問題到程序——程序設計與C語言引論啟發》。

任務 輸出200以內的完全平方數（一個數如果是另一個整數的完全平方，那麼我們就稱這個數為完全平方數，也叫做平方數），要求每隔5個數據要輸出一個換行。

解決方案及點評 對於這個簡單任務，我們在一個main函數中完成瞭任務。程序如方案1：

//方案1：內聚性較高的單模塊實現方案
#include <stdio.h>
int main()
{
    int m, num=0;
    for (m = 1; m * m <= 200; m++)
    {
        printf("%d ", m * m);
        num++;
        if (num%5==0)
            printf("\n");
    }
    return 0;
}

由於任務本身簡單，將之在一個main函數中實現後，這個函數的內聚程度接近功能內聚，已經相當高瞭，就任務本身，不需再進行分解。為使讀者能深入理解模塊質量方面的技術，我們將試圖將內聚程序再提高一些，然後考察耦合程度不同的各種解決方案。

要提高上面解決方案中函數（僅main一個函數）的內聚程度，我們考察程度的功能“找出完全平方數並輸出”——“找出完全平方數”和“輸出”這本身就是兩個功能，再細分輸出時還有“要求5個數據在一行”的要求，這些功能的實現細節都在一個函數當中，可見是有餘地再提高內聚程度的。

在實現的應用中，幾乎所有的處理都可以分解為“輸入-計算-輸出”的模式，優秀的解決方案往往至少要將這三個模塊都獨立出來，對於“計算”模塊而言，其內部不再包括輸入輸出，專門接受輸入的數據，計算完成後返回結果即可。當然，對於復雜的問題，在各個環節上可能還需要再做分解。

下面，我們探討將“找出完全平方數輸出”和“每5個數據後換行”分開實現的方案。這樣的分解有助於提高內聚性，與此同時，分解後的兩個模塊間的耦合程度，成為我們要關註的焦點。

現在將“找出完全平方數並輸出”的功能仍放在main函數中（獨立成為單獨的函數也可以，但不必要瞭），而“每5個數據後換行”的功能，設計一個名稱為format的函數，它每調用一次就輸出一個空格作為兩個完全平方數間的分隔，而每調用到第5次時，輸出的是一個換行。

這兩個模塊之間，需要有一個“現在是第幾次調用”的信息需要傳遞，不可能用耦合程度最松散的非直接耦合.我們考慮數據耦合，用簡單形式參數傳值，得到方案2。

//方案2：一個耦合度低，但不能完成功能要求的解決方案
#include <stdio.h>
void format(int);
int main()
{
    int m, num=0;
    for (m = 1; m * m <= 200; m++)
    {
        printf("%d", m * m);
        format(num);
    }
    return 0;
}
void format(int n)
{
    n++;
    if (n%5==0)
        printf("\n");
    else
        printf(" ");
    return;
}

在這個程序結構中，format與main函數的耦合程度為數據耦合。在main中定義瞭局部變量num，在一次都未輸出時，置初值為0是合理的。在調用format時，將num傳遞來的表示第幾次輸出（第幾個完全平方數）的形式參數n，n自增1，然後再控制輸出空格或換行。

然而分析和運行程序發現，“每隔5個數據輸出一個換行”的功能並未實現。因為形式參數n在函數format內的改變對應的實在參數num占不同的內存空間，n++修改的結果，對num無任何的影響，導致瞭在下一次調用時，丟失瞭“輸出的是第幾個”的重要信息。

一個補救的方法，是由format將變化後的n值作為返回值，再傳回給main函數，得到如下方案3的程序：

//方案3：利用瞭返回值使耦合度增大，但功能得以實現的方案
#include <stdio.h>
int format(int);
int main()
{
    int m, num=0;
    for (m = 1; m * m <= 200; m++)
    {
        printf("%d", m * m);
        num = format(num);
    }
    return 0;
}
int format(int n)
{
    n++;
    if (n%5==0)
        printf("\n");
    else
        printf(" ");
    return n;
}

維持原函數返回值為void，而將參數改為傳地址，得到下面的方案4。這個方案的耦合度更高一些，但功能還是能夠實現的。

//方案4：傳地址實現功能的方案，耦合度更大
#include <stdio.h>
void format(int*);
int main()
{
    int m, num=0;
    for (m = 1; m * m <= 200; m++)
    {
        printf("%d", m * m);
        format(&num);
    }
    return 0;
}
void format(int *p)
{
    (*p)++;
    if ((*p)%5==0)
        printf("\n");
    else
        printf(" ");
    return;
}

一定有人想到瞭用全局變量的解決方案。這樣，可以將num定義為全局變量，num的生存周期不再依賴於函數調用，其值也能在函數的調用之間保持不變（隻要其間沒有另外給它賦值），從而可以完成傳遞信息的任務。這時，format因為無需參數傳遞，可以設計為無參函數，得到如下方案5的程序：

//方案5：耦合度最高的全局變量方案
#include <stdio.h>
void format();
int num=0;
int main()
{
    int m ;
    for (m = 1; m * m <= 200; m++)
    {
        printf("%d", m * m);
        format();
    }
    return 0;
}
void format()
{
    num++;
    if (num%5==0)
        printf("\n");
    else
        printf(" ");
    return;
}

這是解決這個問題的耦合程度最高的一個方案。將num定義為外部變量，意味著如果還有其他函數，num是可以被任何函數修改的，當發 format 計數錯誤時，尋找錯誤困難，而修改後又可能會帶來其他地方的錯誤。在這麼一個短小的程序中，這種方案可能尚可接受，當程度的規模稍變大，可能帶來的問題必須高度重視。因此，在實際應用中，強調全局變量要慎用（不是不用）。

考慮到num是在format中應用的私用數據——隻有format才關心這到底是第幾個數據，main本來都不用關心的。這樣，可以考慮將num定義為format中的局部靜態變量，得到方案6的程序：

//方案6：用靜態局部變量，耦合度偏高但封裝性最好的方案
#include <stdio.h>
void format();
int main()
{
    int m ;
    for (m = 1; m * m <= 200; m++)
    {
        printf("%d", m * m);
        format();
    }
    return 0;
}
void format()
{
    static int num=0;
    num++;
    if (num%5==0)
        printf("\n");
    else
        printf(" ");
    return;
}

在這裡，靜態局部變量num的作用域是局部的，定義在函數體裡，封裝性在所有方案裡是最好的，從而能保證信息的隱蔽性，避免其他函數無意的越權訪問；不過，num的生存期是全局的，可以跨越函數的不同次調用，在兩次調用間傳遞信息，耦合程度（自己和自己的耦合）要高一些，但使main函數和format函數的耦合達到瞭最理想的程度，既保證瞭功能的正確，又保證瞭局部數據的安全性，表現出靜態局部變量的優勢。綜上所述，在解決一個問題時，存在著諸多的方案。方案1可以接受，但希望提高內聚性而做出改進；方案2用簡單的參數傳值方式實現耦合程度低，但很可惜不能完成功能；在其他方案中，對於這個問題，選擇的優先順序是：

❝

方案6、方案3 > 方案4 > 方案5

❞

建議讀者回顧前面的內容，想一想這樣排序的理由。在上述探討各個方案的過程中，我們應該體會到在程序設計能力提高的過程中，不斷地學習新的技術，懂得新的評判標準，這也就是一個不斷拓寬眼蜀的過程。在稍後的練習中，不妨多想一些方案，也能夠從專業的角度評判方案的優劣，最終做到的，就是出手就是最佳方案的專業水平。

來源：https://helijian.blog.csdn.net/article/details/79401703

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