C 语言面向对象的封装方式(示例)

网友投稿 645 2022-05-29

前一篇文章《C 语言面向对象的封装方式》,我介绍了C语言编程常见的两种代码组织方式:

1)函数和数据结构分离

2)封装

并从原理上讲述这两种方式的根本区别。

大型项目中,推荐采用封装的方式,有利于团队协作和每个模块独立演进。

本文,给出一个代码示例,具体展示这两种方式在代码实现上的差别。

业务场景描述如下:

对于数据库、文件系统、存储系统等,数据通常以页(Page)为单位,在数据文件中进行组织。服务进程以页为最小IO单位从磁盘上读出,并在内存中缓存这个页面。后续业务过程如果读取的数据在这个页中,则直接从内存页获取数据。如果要写入新数据,或者要更改原来的数据,则需要找到剩余空间能满足新写入数据大小的Page,然后在目标页中进行写入或者数据修改的动作。由于页上可能会有并发读写操作,因此需要注意加锁。

一个数据页(Page)的内部结构,示例如下:(postgresql的数据页)

PageHeader 是页头部的控制信息,其结构如下:

我们实现数据写入(insert)和scan过滤两种场景,看用两种不同的代码组织方式,在代码实现上的差别(代码进行了简化,不考虑事务等复杂因素)。

(方式一) 函数和数据结构分离

调用者的逻辑:

向Page中写入一行数据:

int insert_row(...) { // 计算要写入的行所需的空间大小 int row_size = ....; // 找到剩余空间满足这个要求的Page page_header_t* phpage = find_page(row_size); // 加锁,避免并发写 lock_write(phpage); // 写入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 = ....; // 写入row的各个列数据 char* pcol = (char*)phrow + sizeof(row_header_t); memcpy(pcol, ....); .... // 找到空闲的itemid槽位 item_id_t* pitemid = (item_id_t*)((char*)phpage + sizeof(page_header_t)); while (LP_UNUSED != pitemid->flags) pitemid++; // 写入row对应的槽位信息 pitemid->offset = (char*)phrow - (char*)phpage; pitemid->LP_NORMAL; // 解锁 unlock_write(phpage); return SUCCESS; }

读取page中的各行记录,根据条件过滤(比如 where id>2):

int scan_row(page_header_t* phpage, filter...) { // 加读锁 lock_read(phpage); // 遍历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); // 判断此行是否满足过滤条件 ...... } pitemid++; } // 解锁 unlock_read(phpage); }

从上面的数据读写两个函数,我们可以看出,在函数和数据结构分离的模式下的特点:

1)数据结构的内部成员,对调用者都是可见的,都是可读写的;

上例中,page_header_t, item_id_t, row_header_t这些数据结构内部的成员,调用者都是知道的,并且可以直接读写的。

2)数据结构之间的关系,调用者也是知道的;

上例中,page_header_t的后面就是一系列row_id_t, 这些row_id_t的后面是空闲空间,每行数据从page后面逐个向前分配空间;

3) 调用者根据1)和2)的信息,自己来编写自己的业务逻辑,对这些数据结构的成员进行读写控制,最终形成各种业务函数。

4)需要多少个业务函数,是调用者来决定的。调用者可以根据业务需求,随时增减业务函数。

这种模式下,需要数据结构保持长期稳定状态。一旦数据结构发生变化,那么调用者设计的各种业务函数,基本都需要修改,哪怕只是把数据结构的一个成员名字修改了,也会导致大量的函数无法通过编译。

而工程实践中,需求变更是常态,尤其是做有技术竞争力的产品,对底层数据结构、实现逻辑进行大幅度优化改进,也是经常发生的。

因此,我们更希望用封装模式,来组织代码。

这两种方式的根本区别,用下图来展示:

在封装的设计下,代码上有了一些显著的变化:

1)数据结构的成员,对调用者不可见。调用者无法直接对数据结构的成员变量进行读写,只能通过特定的函数来操作这些数据结构。

这些操作函数,是数据结构的设计者提供的,我们把这些操作函数叫接口函数。

2)接口函数,不仅屏蔽掉数据结构的成员变量,还屏蔽掉数据结构之间的关系,甚至有些数据结构调用者根本就不知道其存在。

3)接口函数,是面向使用者进行设计,而非面向底层数据结构进行设计。对业务场景进行分析,提取共性,进行接口抽象,最终形成接口函数。

4)接口函数的函数名、参数类型和返回值,都要充分体现业务语义,屏蔽底层数据结构的具体实现细节。

再回到对数据页(Page)进行读写操作的例子上,我们用封装的思想,重新设计一下代码:

服务层:

1. 数据结构体 page_header_t,item_data_t, row_header_t 的成员结构无需调整,但我们需要把它们的定义放到.c文件中,这样调用者就不能直接访问他们的成员了。可以用指针,但不能用指针访问其成员。

2. 设计接口函数,封装业务语义,主要有:

写入行:

1) 为了写入,要获取满足空间的页面,返回已经锁定的页面

page_header_t* find_page_for_write(int row_size);

2) 写入row数据

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

3)释放锁定的页面

int release_page_for_write(page_header_t* phpage);

读取page,返回各个行数据:

1)准备扫描page(内部加读锁)

page_scan_t page_scan_begin(page_header_t* phpage);

C 语言面向对象的封装方式(示例)

2)扫描下一行, 返回0 表示找到一个有效行

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

3) 结束扫描(内部释放锁)

int page_scan_end(page_scan_t* pscan);

业务层:

调用者的代码,重新设计为:

int insert_row(...) { // 计算要写入的行所需的空间大小 int row_size = ....; // 找到剩余空间满足这个要求的Page page_header_t* phpage = find_page_for_write(row_size); // 写入row int iret = write_row_to_page(phpage, pdata, row_size); // 释放页面 iret = release_page_for_write(phpage); return iret; }

读取page中的各行记录,根据条件过滤(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)) { // 应用filter,判断此行是否满足条件 ...... } page_scan_end(&scan); return SUCCESS; }

我们看到,通过封装,调用者的代码逻辑更加清晰简洁,并且与底层数据结构充分解耦,各自可以独立演化,互相不影响。

因此,大型项目,强烈推荐采用封装的方式进行代码组织设计。

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