⽤C语⾔实例描述程序中的内聚和耦合
编程时，我们讲究的是⾼内聚低耦合，在协同开发、代码移植、维护等环节都起到很重要的作⽤。
⼀、原理篇
⽽低耦合，是指模块之间尽可能的使其独⽴存在，模块之间不产⽣联系不可能，但模块与模块之间的接⼝应该尽量少⽽简单。这样，⾼内聚从整个程序中每⼀个模块的内部特征⾓度，低耦合从程序中各个模块之间的关联关系⾓度，对我们的设计提出了要求。
程序设计和软件⼯程发展过程中产⽣的很多技术、设计原则，都可以从内聚和耦合的⾓度进⾏解读。作为C语⾔程序设计的初学者，结合当前对于函数的理解可达到的程度，我们探讨⼀下如何做到⾼内聚低耦合。
针对低耦合。耦合程度最低的是⾮直接耦合，指两个函数之间的联系完全是通过共同的调⽤函数的控制和调⽤来实现的，耦合度最弱，函数的独⽴性最强。但⼀组函数之间没有数据传递显然不现实，次之追求数据耦合，调⽤函数和被调⽤函数之间只传递简单的数据参数，例如采⽤值传递⽅式的函数。
有些函数数在调⽤时，利⽤形式参数传地址的⽅式，在函数体内通过指针可以修改其指向的作⽤域以外的存储单元，这构成了更强的耦合，称为特征耦合，在这⾥，使函数之间产⽣联系的是地址这样的特征
标识。另外，有两个函数可能会打开同⼀个⽂件进⾏操作，这也构成了特征耦合的⼀种形式。
更强的耦合是外部耦合，这⾥，⼀组模块都访问同⼀全局变量，⽽且不通过参数表传递该全局变量的信息，当发现程序执⾏结果异常时，很难定位到是在哪个函数中出了差错。不少初学者觉得参数传递⿇烦，将要处理的数据尽可能地定义为全局变量，这样，函数之间的接⼝简单了，但形成的是耦合性很强的结构。
在C语⾔中，还可以通过静态局部变量，在同⼀个程序的两次调⽤之间共享数据，这也可以视为是⼀种外部耦合，只不过静态局部变量的作⽤域限于函数内部，其影响也只在函数内部，耦合程度⽐使全局变量也还是弱很多。由此，我们可以理解前述在使⽤全局变量、静态局部变量时提出的“⽤在合适的时候，不滥⽤”的原则。
针对⾼内聚。内聚程度最⾼的是功能内聚，模块内所有元素的各个组成部分全部都为完成同⼀个功能⽽存在，共同完成⼀个单⼀的功能，模块已不可再分。这样的函数功能⾮常清晰、明确，⼀般出现在程序结构图的较低被调⽤的层次上。
次之的是顺序内聚，⼀个函数中各个处理元素和同⼀个功能密切相关，通常前⼀个处理元素的输出是后⼀个处理元素的输⼊。对于这样的函数，如果不致于产⽣⾼耦合的话，可以分开两个函数实现。
有的函数，其中的不同处理功能仅仅是由于都访问某⼀个公⽤数据⽽发⽣关联，这称为通信内聚和信息内聚，内聚程度进⼀步下降。内聚程度再低的情况就不再⼀⼀列举，最差的偶然内聚中，⼀个函数内的各处理元素之间没有任何联系，只是偶然地被凑到⼀起。
可以想像这样的模块东⼀榔头西⼀锤⼦，类似⼀个毫⽆凝聚⼒的团伙，对应的是低质量。总之，在解决问题划分函数时，要遵循“⼀个函数，⼀个功能”的原则，尽可能使模块达到功能内聚。
要做到⾼内聚低耦合，重点是要在写代码之前花些时间做好设计。在下⾯的例⼦中，将讨论结合具体的问题，如何将以上的因素考虑进去。
⼆、⽰例篇
本例受裘宗燕⽼师《从问题到程序——程序设计与C语⾔引论启发》。
任务 输出200以内的完全平⽅数（⼀个数如果是另⼀个整数的完全平⽅，那么我们就称这个数为完全平⽅数，也叫做平⽅数），要求每隔5个数据要输出⼀个换⾏。
解决⽅案及点评 对于这个简单任务，我们在⼀个main函数中完成了任务。程序如⽅案1：
//⽅案1：内聚性较⾼的单模块实现⽅案
#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;
}
由于任务本⾝简单，将之在⼀个main函数中实现后，这个函数的内聚程度接近功能内聚，已经相当⾼了，就任务本⾝，不需再进⾏分解。为使读者能深⼊理解模块质量⽅⾯的技术，我们将试图将内聚程序再提⾼⼀些，然后考察耦合程度不同的各种解决⽅案。
要提⾼上⾯解决⽅案中函数（仅main⼀个函数）的内聚程度，我们考察程度的功能“出完全平⽅数并输出”——“出完全平⽅
数”和“输出”这本⾝就是两个功能，再细分输出时还有“要求5个数据在⼀⾏”的要求，这些功能的实现细节都在⼀个函数当中，可见是有余地再提⾼内聚程度的。
在实现的应⽤中，⼏乎所有的处理都可以分解为“输⼊-计算-输出”的模式，优秀的解决⽅案往往⾄少要将这三个模块都独⽴出来，对
于“计算”模块⽽⾔，其内部不再包括输⼊输出，专门接受输⼊的数据，计算完成后返回结果即可。当然，对于复杂的问题，在各个环节上可能还需要再做分解。
下⾯，我们探讨将“出完全平⽅数输出”和“每5个数据后换⾏”分开实现的⽅案。这样的分解有助于提⾼内聚性，与此同时，分解后的两个模块间的耦合程度，成为我们要关注的焦点。
现在将“出完全平⽅数并输出”的功能仍放在main函数中（独⽴成为单独的函数也可以，但不必要了），⽽“每5个数据后换⾏”的功能，设计⼀个名称为format的函数，它每调⽤⼀次就输出⼀个空格作为两个完全平⽅数间的分隔，⽽每调⽤到第5次时，输出的是⼀个换⾏。
这两个模块之间，需要有⼀个“现在是第⼏次调⽤”的信息需要传递，不可能⽤耦合程度最松散的⾮直接耦合.我们考虑数据耦合，⽤简单形式参数传值，得到⽅案2。
//⽅案2：⼀个耦合度低，但不能完成功能要求的解决⽅案
#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(" ");
最强编程语言return;
}
在这个程序结构中，format与main函数的耦合程度为数据耦合。在main中定义了局部变量num，在⼀次都未输出时，置初值为0是合理的。在调⽤format时，将num传递来的表⽰第⼏次输出（第⼏个完全平⽅数）的形式参数n，n⾃增1，然后再控制输出空格或换⾏。
然⽽分析和运⾏程序发现，“每隔5个数据输出⼀个换⾏”的功能并未实现。因为形式参数n在函数format内的改变对应的实在参数num占不同的内存空间，n++修改的结果，对num⽆任何的影响，导致了在下⼀次调⽤时，丢失了“输出的是第⼏个”的重要信息。
⼀个补救的⽅法，是由format将变化后的n值作为返回值，再传回给main函数，得到如下⽅案3的程序：
//⽅案3：利⽤了返回值使耦合度增⼤，但功能得以实现的⽅案
#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;
}
维持原函数返回值为void，⽽将参数改为传地址，得到下⾯的⽅案4。这个⽅案的耦合度更⾼⼀些，但功能还是能够实现的。
//⽅案4：传地址实现功能的⽅案，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;
}
⼀定有⼈想到了⽤全局变量的解决⽅案。这样，可以将num定义为全局变量，num的⽣存周期不再依赖于函数调⽤，其值也能在函数的调⽤之间保持不变（只要其间没有另外给它赋值），从⽽可以完成传递信息的任务。这时，format因为⽆需参数传递，可以设计为⽆参函数，得到如下⽅案5的程序：
//⽅案5：耦合度最⾼的全局变量⽅案
#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;
}
这是解决这个问题的耦合程度最⾼的⼀个⽅案。将num定义为外部变量，意味着如果还有其他函数，num是可以被任何函数修改的，当发format 计数错误时，寻错误困难，⽽修改后⼜可能会带来其他地⽅的错误。在这么⼀个短⼩的程序中，这种⽅案可能尚可接受，当程度的规模稍变⼤，可能带来的问题必须⾼度重视。因此，在实际应⽤中，强调全局变量要慎⽤（不是不⽤）。
考虑到num是在format中应⽤的私⽤数据——只有format才关⼼这到底是第⼏个数据，main本来都不⽤关⼼的。这样，可以考虑将num 定义为format中的局部静态变量，得到⽅案6的程序：
//⽅案6：⽤静态局部变量，耦合度偏⾼但封装性最好的⽅案
#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;
}
在这⾥，静态局部变量num的作⽤域是局部的，定义在函数体⾥，封装性在所有⽅案⾥是最好的，从⽽能保证信息的隐蔽性，避免其他函数⽆意的越权访问；不过，num的⽣存期是全局的，可以跨越函数的不同次调⽤，在两次调⽤间传递信息，耦合程度（⾃⼰和⾃⼰的耦合）要⾼⼀些，但使main函数
和format函数的耦合达到了最理想的程度，既保证了功能的正确，⼜保证了局部数据的安全性，表现出静态局部变量的优势。综上所述，在解决⼀个问题时，存在着诸多的⽅案。⽅案1可以接受，但希望提⾼内聚性⽽做出改进；⽅案2⽤简单的参数传值⽅式实现耦合程度低，但很可惜不能完成功能；在其他⽅案中，对于这个问题，选择的优先顺序是：
❝
⽅案6、⽅案3 > ⽅案4 > ⽅案5
❞
建议读者回顾前⾯的内容，想⼀想这样排序的理由。在上述探讨各个⽅案的过程中，我们应该体会到在程序设计能⼒提⾼的过程中，不断地学习新的技术，懂得新的评判标准，这也就是⼀个不断拓宽眼蜀的过程。在稍后的练习中，不妨多想⼀些⽅案，也能够从专业的⾓度评判⽅案的优劣，最终做到的，就是出⼿就是最佳⽅案的专业⽔平。

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