（编写中）模块化编程与包管理

条件编译

• 在很多情况下，我们希望程序的其中一部分代码只有在满足一定条件时才进行编译，否则不参与编译(只有参与编译的代码最终才能被执行)，这就是条件编译。
• 为什么要使用条件编译
  • 1)按不同的条件去编译不同的程序部分,因而产生不同的目标代码文件。有利于程序的移植和调试。
  • 2)条件编译当然也可以用条件语句来实现。 但是用条件语句将会对整个源程序进行编译,生成 的目标代码程序很长,而采用条件编译,则根据条件只编译其中的程序段 1 或程序段 2,生成的目 标程序较短。 ##if-#else 条件编译指令
• 第一种格式:
  • 它的功能是,如常量表达式的值为真(非 0),则将 code1 编译到程序中,否则对 code2 编译到程序中。
  • 注意:
  • 是将代码编译进可执行程序, 而不是执行代码
  • 条件编译后面的条件表达式中不能识别变量,它里面只能识别常量和宏定义

#if 常量表达式
    ..code1...
#else
    ..code2...
#endif

#define SCORE 67
#if SCORE > 90
    printf("优秀\n");
#else
    printf("不及格\n");
#endif

• 第二种格式:

#if 条件1
  ...code1...
 #elif 条件2
  ...code2...
 #else
  ...code3...
 #endif

#define SCORE 67
#if SCORE > 90
    printf("优秀\n");
#elif SCORE > 60
    printf("良好\n");
#else
    printf("不及格\n");
#endif

模块化编程基础

为什么需要模块化编程？

随着程序规模的增长，将所有代码写在一个文件中会导致：

• 代码难以维护
• 功能耦合严重
• 团队协作困难
• 代码复用性差

模块化编程通过将功能拆分到不同的文件中，提高了代码的：

• 可维护性 - 每个模块职责单一
• 可复用性 - 模块可以在多个项目中使用
• 可测试性 - 独立模块更容易测试

头文件和源文件分离

基本概念

• 头文件（.h）：包含函数声明、类型定义、宏定义等
• 源文件（.c）：包含函数的具体实现

示例：数学工具模块

1. 创建头文件 math_utils.h

#ifndef MATH_UTILS_H  // 防止重复包含
#define MATH_UTILS_H

// 函数声明
int add(int a, int b);
int subtract(int a, int b);
int multiply(int a, int b);
double divide(double a, double b);

// 常量定义
#define PI 3.14159265359

// 结构体定义
typedef struct {
    double x;
    double y;
} Point;

// 函数声明
double point_distance(const Point* p1, const Point* p2);

#endif // MATH_UTILS_H

2. 创建源文件 math_utils.c

#include <math.h>
#include "math_utils.h"

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int subtract(int a, int b) {
    return a - b;
}

int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

double divide(double a, double b) {
    if (b != 0) {
        return a / b;
    }
    return 0.0; // 简单的错误处理
}

double point_distance(const Point* p1, const Point* p2) {
    double dx = p1->x - p2->x;
    double dy = p1->y - p2->y;
    return sqrt(dx * dx + dy * dy);
}

3. 使用模块 main.c

#include <stdio.h>
#include "math_utils.h"

int main() {
    // 使用基本数学函数
    int result = add(10, 5);
    printf("10 + 5 = %d\n", result);
    
    // 使用结构体和函数
    Point p1 = {0, 0};
    Point p2 = {3, 4};
    double distance = point_distance(&p1, &p2);
    printf("Distance: %.2f\n", distance);
    
    // 使用常量
    printf("PI = %.5f\n", PI);
    
    return 0;
}

4. 编译和链接

# 编译所有源文件
gcc -c math_utils.c -o math_utils.o
gcc -c main.c -o main.o

# 链接生成可执行文件
gcc math_utils.o main.o -lm -o calculator

# 或者一步完成
gcc main.c math_utils.c -lm -o calculator

项目目录结构

推荐的项目结构

project/
├── src/                 # 源文件目录
│   ├── main.c
│   ├── utils/
│   │   ├── math_utils.c
│   │   ├── string_utils.c
│   │   └── file_utils.c
│   └── modules/
│       ├── student.c
│       └── database.c
├── include/             # 头文件目录
│   ├── utils/
│   │   ├── math_utils.h
│   │   ├── string_utils.h
│   │   └── file_utils.h
│   └── modules/
│       ├── student.h
│       └── database.h
├── lib/                 # 第三方库目录
├── build/               # 编译输出目录
├── docs/                # 文档目录
├── tests/               # 测试目录
├── examples/            # 示例代码
├── Makefile             # 构建脚本
└── README.md            # 项目说明

使用Makefile管理编译

# Makefile示例
CC = gcc
CFLAGS = -Wall -Wextra -Iinclude
SRCDIR = src
OBJDIR = build
TARGET = myapp

# 查找所有.c文件
SOURCES = $(wildcard $(SRCDIR)/*.c $(SRCDIR)/*/*.c)
OBJECTS = $(SOURCES:$(SRCDIR)/%.c=$(OBJDIR)/%.o)

.PHONY: all clean

all: $(TARGET)

$(TARGET): $(OBJECTS)
	$(CC) $(OBJECTS) -o $@

$(OBJDIR)/%.o: $(SRCDIR)/%.c
	@mkdir -p $(dir $@)
	$(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

clean:
	rm -rf $(OBJDIR) $(TARGET)

install: $(TARGET)
	cp $(TARGET) /usr/local/bin/

.PHONY: help
help:
	@echo "Available targets:"
	@echo "  all     - Build the application"
	@echo "  clean   - Remove build files"
	@echo "  install - Install to system"
	@echo "  help    - Show this help"

使用第三方库

1. 使用系统库

大多数Linux系统都预装了常用的C库：

// 使用数学库
#include <math.h>

// 使用线程库
#include <pthread.h>

// 编译时需要链接
// gcc main.c -lm -lpthread -o myapp

2. 手动安装第三方库

以安装cJSON库为例：

# 下载源码
git clone https://github.com/DaveGamble/cJSON.git
cd cJSON

# 编译和安装
mkdir build
cd build
cmake ..
make
sudo make install

3. 使用第三方库示例

#include <stdio.h>
#include <cjson/cJSON.h>

int main() {
    // 创建JSON对象
    cJSON *json = cJSON_CreateObject();
    cJSON *name = cJSON_CreateString("张三");
    cJSON *age = cJSON_CreateNumber(25);
    cJSON *skills = cJSON_CreateArray();
    
    // 添加技能数组
    cJSON_AddItemToArray(skills, cJSON_CreateString("C"));
    cJSON_AddItemToArray(skills, cJSON_CreateString("Python"));
    
    // 组装JSON对象
    cJSON_AddItemToObject(json, "name", name);
    cJSON_AddItemToObject(json, "age", age);
    cJSON_AddItemToObject(json, "skills", skills);
    
    // 输出JSON字符串
    char *json_string = cJSON_Print(json);
    printf("JSON: %s\n", json_string);
    
    // 解析JSON字符串
    cJSON *parsed = cJSON_Parse(json_string);
    if (parsed != NULL) {
        cJSON *name_item = cJSON_GetObjectItem(parsed, "name");
        if (cJSON_IsString(name_item)) {
            printf("Name: %s\n", name_item->valuestring);
        }
    }
    
    // 清理内存
    free(json_string);
    cJSON_Delete(json);
    cJSON_Delete(parsed);
    
    return 0;
}

编译命令：

gcc main.c -lcjson -o json_demo

创建静态库和动态库

静态库（.a文件）

# 编译目标文件
gcc -c math_utils.c -o math_utils.o
gcc -c string_utils.c -o string_utils.o

# 创建静态库
ar rcs libmyutils.a math_utils.o string_utils.o

# 使用静态库
gcc main.c -L. -lmyutils -o myapp

动态库（.so文件）

# 编译位置无关代码
gcc -c -fPIC math_utils.c -o math_utils.o
gcc -c -fPIC string_utils.c -o string_utils.o

# 创建动态库
gcc -shared -o libmyutils.so math_utils.o string_utils.o

# 使用动态库
gcc main.c -L. -lmyutils -o myapp

# 运行时需要设置库路径
export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH
./myapp

包管理工具

使用vcpkg管理依赖

# 安装vcpkg
git clone https://github.com/Microsoft/vcpkg.git
cd vcpkg
./bootstrap-vcpkg.sh

# 安装库
./vcpkg install cjson
./vcpkg install curl
./vcpkg install sqlite3

# 在项目中使用
export VCPKG_ROOT=/path/to/vcpkg
cmake -B build -S . \
  -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=$VCPKG_ROOT/scripts/buildsystems/vcpkg.cmake

实践项目：学生管理系统

让我们创建一个模块化的学生管理系统作为练习：

项目结构

student_manager/
├── src/
│   ├── main.c
│   ├── student.c
│   ├── database.c
│   └── ui.c
├── include/
│   ├── student.h
│   ├── database.h
│   └── ui.h
├── data/
│   └── students.dat
└── Makefile

学生模块 include/student.h

#ifndef STUDENT_H
#define STUDENT_H

#define MAX_NAME_LENGTH 50

typedef struct {
    int id;
    char name[MAX_NAME_LENGTH];
    int age;
    float score;
} Student;

// 学生操作函数
Student* student_create(int id, const char* name, int age, float score);
void student_destroy(Student* student);
void student_print(const Student* student);
int student_compare_by_id(const Student* a, const Student* b);
int student_compare_by_score(const Student* a, const Student* b);

#endif

数据库模块 include/database.h

#ifndef DATABASE_H
#define DATABASE_H

#include "student.h"

typedef struct StudentDB StudentDB;

// 数据库操作函数
StudentDB* db_create(void);
void db_destroy(StudentDB* db);
int db_add_student(StudentDB* db, const Student* student);
Student* db_find_student(StudentDB* db, int id);
int db_remove_student(StudentDB* db, int id);
void db_list_all(const StudentDB* db);
int db_save_to_file(const StudentDB* db, const char* filename);
int db_load_from_file(StudentDB* db, const char* filename);

#endif

主要练习

1. 模块化设计
2. 头文件和源文件分离
3. 结构体和函数的设计
4. 文件操作
5. 内存管理

总结

模块化编程是从初学者走向专业开发者的重要一步。通过：

1. 头文件和源文件分离 - 实现接口和实现的分离
2. 合理的目录结构 - 提高项目的可维护性
3. 使用第三方库 - 避免重复造轮子
4. 创建自己的库 - 积累可重用的代码资产

CMake构建系统

单元测试