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C模块化编程

2016-07-11 01:37 xusong.lie

模块化编程 是指程序核心部分定义好功能的接口,而具体的实现留给各个模块去做。举个现实世界的例子:我们可以在电脑的PCI插槽上安装显卡、声卡或者网卡,原因就是这些硬件都按照PCI接口的规范来制造的。

模块化编程也一样,程序核心部分定义好接口,各个模块按照接口的定义去实现功能,然后把各个模块挂载到程序上即可,这个有点像Java的面向接口编程。如下图:

 

(图一)

模块化编程的好处就是最大化灵活性,程序的核心部分不用关心功能的具体实现,只需要调用模块提供的接口即可得到相应的结果。因为各个模块的具体实现各不相同,所以得到的结果也是多样化的。


使用C进行模块化编程

用过C语言编程的人都知道C语言是没有接口的,所以怎么使用C语言进行模块化编程呢?使用C语言的结构体和函数指针可以模拟出Java接口的特性,我们只需定义一个由多个函数指针构成的结构体,然后功能模块实现这个结构体里的函数即可。

例如我们定义一个名为Car的结构体,而这个结构体有两个函数指针,分别是run()stop()

car.h

#ifndef __CAR_H

#define __CAR_H

 

struct Car

{

void (*run)();

void (*stop)();

};

 

#endif

从上面定义可以知道,实现了run()stop()方法的模块都可以被称为Car(汽车)。现在我们来编写两个模块,分别是TruckVan

Truck模块如下(truck.c):

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include "car.h"

 

static void run()

{

printf("I am Truck, running...\n");

}

 

static void stop()

{

printf("I am Truck, stopped...\n");

}

 

struct Car truck = {

.run = &run,

.stop = &stop,

};

 

Van模块如下(van.c):

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include "car.h"

 

static void run()

{

printf("I am Van, running...\n");

}

 

static void stop()

{

printf("I am Van, stopped...\n");

}

 

struct Car van = {

.run = &run,

.stop = &stop,

};

这样我们编写了两个模块,一个是卡车模块(Truck),一个是客车模块(Van)。为了简单起见,我们只是简单的打印一段文字。现在可以说我们的车是变形金刚了,因为可以随时变成卡车或者客车(嘻嘻)。

我们把模块都写好了,但是怎么把模块应用到程序的核心部分呢?这时候我们需要一个注册机制。因为核心部分不知道我们到底编写了什么模块,所以就需要这个注册机制来告诉核心部分。注册机制很简单,只需要一个函数即可(main.c):

#include "car.h"

 

extern struct Car van;

extern struct Car truck;

 

struct Car *car;

 

void register_module(struct Car *module)

{

car = module;

}

 

int main(int argc, char *argv[])

{

register_module(&truck);

 

car->run();

car->stop();

 

return 0;

}

 

编译运行后我们会得到以下的结果:

如果把 register_module(&truck); 改为 register_module(&van); 会得到以下结果:

从上面的结果可以看到,我们可以注册不同的模块来提供不同的服务,模块化编程就这样实现了。

Are you kidding me?

C的模块化编程的确是这么简单,但是我们可以实现更强大的功能:使用动态链接库来实现模块化。


使用动态链接库进行模块化编程

Linux提供一种叫动态链接库的技术(Windows也有类似的功能),可以通过系统API动态加载.so文件中的函数或者变量。动态链接库的好处是把程序划分成多个独立的部分编译,每个部分的编译互补影响。例如我们有动态链接库ABC,如果发现Abug,我们只需要修改和重新编译A即可,而不用对BC进行任何的改动。

下面我们使用动态链接库技术来重写上面的程序。

其实要使用动态链接库技术,只需要把模块编译成.so文件,然后核心部分使用操作系统提供的dlopen()dlsym()接口来载入模块即可。

 

1. 把模块编译成.so文件

首先我们修改van.c文件,主要是增加一个让核心部分获取模块接口的方法get_module()

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include "car.h"

 

static void run()

{

printf("I am Van, running...\n");

}

 

static void stop()

{

printf("I am Van, stopped...\n");

}

 

struct Car module = {

.run = &run,

.stop = &stop,

};

 

sturct Car *get_module()

{

return &module;

}

然后我们需要把库的源文件编译成无约束位代码。无约束位代码是存储在主内存中的机器码,执行的时候与绝对地址无关。

$ gcc -c -Wall -Werror -fpic van.c

现在让我们将对象文件变成共享库。我们将其命名为van.so

$ gcc -shared -o van.so van.o

这样我们就把van.c编译成动态链接库了。我们使用相同的方法把truck.c编译成truck.so

 

2. 在核心部分载入动态链接库

使用动态链接库接口来修改核心部分代码,如下:

#include "Car.h"

#include <dlfcn.h>

#include <stdlib.h>

 

struct Car *car;

 

struct Car *register_module(char *module_name)

{

struct Car *(*get_module)();

void *handle;

 

handle = dlopen(module_name, RTLD_LAZY);

if (!handle) {

return NULL;

}

 

get_module = dlsym(handle, "get_module");

if (dlerror() != NULL) {

dlclose(handle);

return NULL;

}

 

dlclose(handle);

 

return get_module();

}

 

int main(int argc, char *argv[])

{

struct Car *car;

 

if ((car = register_module("./van.so")) == NULL) {

return -1;

}

 

car->run();

car->stop();

 

return 0;

}

 

使用以下命令编译代码:

$ gcc -rdynamic -o car main.c -ldl

 

运行程序后得到结果:

  修改 register_module("./van.so") 为 register_module("./truck.so") 得到结果:

可以看到我们成功使用动态链接库改写了程序。


总结

由于模块化编程的灵活性和可扩展性非常好,所以很多流行的软件也提供模块化特性,如:NginxPHPPython等。而这些软件使用的方法与本文介绍的大致相同,有兴趣可以查看这些软件的实现。

 


 
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