如何组织构建多文件 C 语言程序（二）

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我将在本系列的第二篇中深入研究由多个文件组成的 C 程序的结构。
-- Erik O'shaughnessy（作者）

在第一篇中，我设计了一个名为喵呜喵呜的多文件 C 程序，该程序实现了一个玩具编解码器。我也提到了程序设计中的 Unix 哲学，即在一开始创建多个空文件，并建立一个好的结构。最后，我创建了一个 Makefile 文件夹并阐述了它的作用。在本文中将另一个方向展开：现在我将介绍简单但具有指导性的喵呜喵呜编解码器的实现。

当读过我的《如何写一个好的 C 语言 main 函数》后，你会觉得喵呜喵呜编解码器的 main.c 文件的结构很熟悉，其主体结构如下：

/* main.c - 喵呜喵呜流式编解码器 */
/* 00 系统包含文件 */
/* 01 项目包含文件 */
/* 02 外部声明 */
/* 03 定义 */
/* 04 类型定义 */
/* 05 全局变量声明（不要用）*/
/* 06 附加的函数原型 */
int main(int argc, char *argv[])
  /* 07 变量声明 */
  /* 08 检查 argv[0] 以查看该程序是被如何调用的 */
  /* 09 处理来自用户的命令行选项 */
  /* 10 做点有用的事情 */
/* 11 其它辅助函数 */

包含项目头文件

位于第二部分中的 /* 01 项目包含文件 */ 的源代码如下：

/* main.c - 喵呜喵呜流式编解码器 */
/* 01 项目包含文件 */
#include "main.h"
#include "mmecode.h"
#include "mmdecode.h"

#include 是 C 语言的预处理命令，它会将该文件名的文件内容拷贝到当前文件中。如果程序员在头文件名称周围使用双引号（ "" ），编译器将会在当前目录寻找该文件。如果文件被尖括号包围（ <> ），编译器将在一组预定义的目录中查找该文件。

main.h 文件中包含了 main.c 文件中用到的定义和类型定义。我喜欢尽可能多将声明放在头文件里，以便我在我的程序的其他位置使用这些定义。

头文件 mmencode.h 和 mmdecode.h 几乎相同，因此我以 mmencode.h 为例来分析。

/* mmencode.h - 喵呜喵呜流编解码器 */
#ifndef _MMENCODE_H
#define _MMENCODE_H
#include <stdio.h>
int mm_encode(FILE *src, FILE *dst);
#endif /* _MMENCODE_H */

#ifdef 、 #define 、 #endif 指令统称为 “防护” 指令。其可以防止 C 编译器在一个文件中多次包含同一文件。如果编译器在一个文件中发现多个定义/原型/声明，它将会产生警告。因此这些防护措施是必要的。

在这些防护内部，只有两个东西： #include 指令和函数原型声明。我在这里包含了 stdio.h 头文件，以便于能在函数原型中使用 FILE 定义。函数原型也可以被包含在其他 C 文件中，以便于在文件的命名空间中创建它。你可以将每个文件视为一个独立的命名空间，其中的变量和函数不能被另一个文件中的函数或者变量使用。

编写头文件很复杂，并且在大型项目中很难管理它。不要忘记使用防护。

喵呜喵呜编码的最终实现

该程序的功能是按照字节进行 MeowMeow 字符串的编解码，事实上这是该项目中最简单的部分。截止目前我所做的工作便是支持允许在适当的位置调用此函数：解析命令行，确定要使用的操作，并打开将要操作的文件。下面的循环是编码的过程：

/* mmencode.c - 喵呜喵呜流式编解码器 */
   while (!feof(src)) {
     if (!fgets(buf, sizeof(buf), src))
       break;
     for(i=0; i<strlen(buf); i++) {
       lo = (buf[i] & 0x000f);
       hi = (buf[i] & 0x00f0) >> 4;
       fputs(tbl[hi], dst);
       fputs(tbl[lo], dst);
   }

简单的说，当文件中还有数据块时（ feof(3) ），该循环读取（ feof(3) ）文件中的一个数据块。然后将读入的内容的每个字节分成两个 hi 和 lo 的 半字节(nibble) 。半字节是半个字节，即 4 个位。这里的奥妙之处在于可以用 4 个位来编码 16 个值。我将 hi 和 lo 用作 16 个字符串查找表 tbl 的索引，表中包含了用半字节编码的 MeowMeow 字符串。这些字符串使用 fputs(3) 函数写入目标 FILE 流，然后我们继续处理缓存区的下一个字节。

该表使用 table.h 中的宏定义进行初始化，在没有特殊原因（比如：要展示包含了另一个项目的本地头文件）时，我喜欢使用宏来进行初始化。我将在未来的文章中进一步探讨原因。

喵呜喵呜解码的实现

我承认在开始工作前花了一些时间。解码的循环与编码类似：读取 MeowMeow 字符串到缓冲区，将编码从字符串转换为字节

 /* mmdecode.c - 喵呜喵呜流式编解码器 */
 int mm_decode(FILE *src, FILE *dst)
   if (!src || !dst) {
     errno = EINVAL;
     return -1;
   return stupid_decode(src, dst);
 }

这不符合你的期望吗？

在这里，我通过外部公开的 mm_decode() 函数公开了 stupid_decode() 函数细节。我上面所说的“外部”是指在这个文件之外。因为 stupid_decode() 函数不在该头文件中，因此无法在其他文件中调用它。

当我们想发布一个可靠的公共接口时，有时候会这样做，但是我们还没有完全使用函数解决问题。在本例中，我编写了一个 I/O 密集型函数，该函数每次从源中读取 8 个字节，然后解码获得 1 个字节写入目标流中。较好的实现是一次处理多于 8 个字节的缓冲区。更好的实现还可以通过缓冲区输出字节，进而减少目标流中单字节的写入次数。

/* mmdecode.c - 喵呜喵呜流式编解码器 */
int stupid_decode(FILE *src, FILE *dst)
  char           buf[9];
  decoded_byte_t byte;
  int            i;
  while (!feof(src)) {
    if (!fgets(buf, sizeof(buf), src))
      break;
    byte.field.f0 = isupper(buf[0]);
    byte.field.f1 = isupper(buf[1]);
    byte.field.f2 = isupper(buf[2]);
    byte.field.f3 = isupper(buf[3]);
    byte.field.f4 = isupper(buf[4]);
    byte.field.f5 = isupper(buf[5]);
    byte.field.f6 = isupper(buf[6]);
    byte.field.f7 = isupper(buf[7]);
    fputc(byte.value, dst);
  return 0;
}

我并没有使用编码器中使用的位移方法，而是创建了一个名为 decoded_byte_t 的自定义数据结构。

/* mmdecode.c - 喵呜喵呜流式编解码器 */
typedef struct {
  unsigned char f7:1;
  unsigned char f6:1;
  unsigned char f5:1;
  unsigned char f4:1;
  unsigned char f3:1;
  unsigned char f2:1;
  unsigned char f1:1;
  unsigned char f0:1;