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[#]: collector: (lujun9972)
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[#]: translator: (mengxinayan)
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[#]: reviewer: (wxy)
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[#]: publisher: (wxy)
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[#]: url: (https://linux.cn/article-11935-1.html)
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[#]: subject: (How to structure a multi-file C program: Part 1)
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[#]: via: (https://opensource.com/article/19/7/structure-multi-file-c-part-1)
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[#]: author: (Erik O'Shaughnessy https://opensource.com/users/jnyjnyhttps://opensource.com/users/jnyjnyhttps://opensource.com/users/jim-salterhttps://opensource.com/users/cldxsolutions)
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如何组织构建多文件 C 语言程序（一）
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> 准备好你喜欢的饮料、编辑器和编译器，放一些音乐，然后开始构建一个由多个文件组成的 C 语言程序。
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大家常说计算机编程的艺术部分是处理复杂性，部分是命名某些事物。此外，我认为“有时需要添加绘图”是在很大程度上是正确的。
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在这篇文章里，我会编写一个小型 C 程序，命名一些东西，同时处理一些复杂性。该程序的结构大致基于我在 《[如何写一个好的 C 语言 main 函数][2]》 文中讨论的。但是，这次做一些不同的事。准备好你喜欢的饮料、编辑器和编译器，放一些音乐，让我们一起编写一个有趣的 C 语言程序。
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### 优秀 Unix 程序哲学
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首先，你要知道这个 C 程序是一个 [Unix][3] 命令行工具。这意味着它运行在（或者可被移植到）那些提供 Unix C 运行环境的操作系统中。当贝尔实验室发明 Unix 后，它从一开始便充满了[设计哲学][4]。用我自己的话来说就是：程序只做一件事，并做好它，并且对文件进行一些操作。虽然“只做一件事，并做好它”是有意义的，但是“对文件进行一些操作”的部分似乎有点儿不合适。
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事实证明，Unix 中抽象的 “文件” 非常强大。一个 Unix 文件是以文件结束符（EOF）标志为结尾的字节流。仅此而已。文件中任何其它结构均由应用程序所施加而非操作系统。操作系统提供了系统调用，使得程序能够对文件执行一套标准的操作：打开、读取、写入、寻址和关闭（还有其他，但说起来那就复杂了）。对于文件的标准化访问使得不同的程序共用相同的抽象，而且可以一同工作，即使它们是不同的人用不同语言编写的程序。
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具有共享的文件接口使得构建*可组合的*的程序成为可能。一个程序的输出可以作为另一个程序的输入。Unix 家族的操作系统默认在执行程序时提供了三个文件：标准输入（`stdin`）、标准输出（`stdout`）和标准错误（`stderr`）。其中两个文件是只写的：`stdout` 和 `stderr`。而 `stdin` 是只读的。当我们在常见的 Shell 比如 Bash 中使用文件重定向时，可以看到其效果。
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$ ls | grep foo | sed -e 's/bar/baz/g' > ack
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这条指令可以被简要地描述为：`ls` 的结果被写入标准输出，它重定向到 `grep` 的标准输入，`grep` 的标准输出重定向到 `sed` 的标准输入，`sed` 的标准输出重定向到当前目录下文件名为 `ack` 的文件中。
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我们希望我们的程序在这个灵活又出色的生态系统中运作良好，因此让我们编写一个可以读写文件的程序。
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### 喵呜喵呜：流编码器/解码器概念
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当我还是一个露着豁牙的孩子懵懵懂懂地学习计算机科学时，学过很多编码方案。它们中的有些用于压缩文件，有些用于打包文件，另一些毫无用处因此显得十分愚蠢。列举最后这种情况的一个例子：[哞哞编码方案][5]。
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为了让我们的程序有个用途，我为它更新了一个 [21 世纪][6] 的概念，并且实现了一个名为“喵呜喵呜” 的编码方案的概念（毕竟网上大家都喜欢猫）。这里的基本的思路是获取文件并且使用文本 “meow” 对每个半字节（半个字节）进行编码。小写字母代表 0，大写字母代表 1。因为它会将 4 个比特替换为 32 个比特，因此会扩大文件的大小。没错，这毫无意义。但是想象一下人们看到经过这样编码后的惊讶表情。
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$ cat /home/your_sibling/.super_secret_journal_of_my_innermost_thoughts
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MeOWmeOWmeowMEoW...
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这非常棒。
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### 最终的实现
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完整的源代码可以在 [GitHub][7] 上面找到，但是我会写下我在编写程序时的思考。目的是说明如何组织构建多文件 C 语言程序。
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既然已经确定了要编写一个编码和解码“喵呜喵呜”格式的文件的程序时，我在 Shell 中执行了以下的命令 ：
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$ mkdir meowmeow
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$ cd meowmeow
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$ git init
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$ touch Makefile # 编译程序的方法
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$ touch main.c # 处理命令行选项
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$ touch main.h # “全局”常量和定义
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$ touch mmencode.c # 实现对喵呜喵呜文件的编码
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$ touch mmencode.h # 描述编码 API
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$ touch mmdecode.c # 实现对喵呜喵呜文件的解码
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$ touch mmdecode.h # 描述解码 API
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$ touch table.h # 定义编码查找表
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$ touch .gitignore # 这个文件中的文件名会被 git 忽略
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$ git add .
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$ git commit -m "initial commit of empty files"
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简单的说，我创建了一个目录，里面全是空文件，并且提交到 git。
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即使这些文件中没有内容，你依旧可以从它的文件名推断每个文件的用途。为了避免万一你无法理解，我在每条 `touch` 命令后面进行了简单描述。
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通常，程序从一个简单 `main.c` 文件开始，只有两三个解决问题的函数。然后程序员轻率地向自己的朋友或者老板展示了该程序，然后为了支持所有新的“功能”和“需求”，文件中的函数数量就迅速爆开了。“程序俱乐部”的第一条规则便是不要谈论“程序俱乐部”，第二条规则是尽量减少单个文件中的函数。
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老实说，C 编译器并不关心程序中的所有函数是否都在一个文件中。但是我们并不是为计算机或编译器写程序，我们是为其他人（有时也包括我们）去写程序的。我知道这可能有些奇怪，但这就是事实。程序体现了计算机解决问题所采用的一组算法，当问题的参数发生了意料之外的变化时，保证人们可以理解它们是非常重要的。当在人们修改程序时，发现一个文件中有 2049 函数时他们会诅咒你的。
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因此，优秀的程序员会将函数分隔开，将相似的函数分组到不同的文件中。这里我用了三个文件 `main.c`、`mmencode.c` 和 `mmdecode.c`。对于这样小的程序，也许看起来有些过头了。但是小的程序很难保证一直小下去，因此哥忒拓展做好计划是一个“好主意”。
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但是那些 `.h` 文件呢？我会在后面解释一般的术语，简单地说，它们被称为头文件，同时它们可以包含 C 语言类型定义和 C 预处理指令。头文件中不应该包含任何函数。你可以认为头文件是提供了应用程序接口（API）的定义的一种 `.c` 文件，可以供其它 `.c` 文件使用。
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### 但是 Makefile 是什么呢？
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我知道下一个轰动一时的应用都是你们这些好孩子们用 “终极代码粉碎者 3000” 集成开发环境来编写的，而构建项目是用 Ctrl-Meta-Shift-Alt-Super-B 等一系列复杂的按键混搭出来的。但是如今（也就是今天），使用 `Makefile` 文件可以在构建 C 程序时帮助做很多有用的工作。`Makefile` 是一个包含如何处理文件的方式的文本文件，程序员可以使用其自动地从源代码构建二进制程序（以及其它东西！）
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以下面这个小东西为例：
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00 # Makefile
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01 TARGET= my_sweet_program
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02 $(TARGET): main.c
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03 cc -o my_sweet_program main.c
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```
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`#` 符号后面的文本是注释，例如 00 行。
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01 行是一个变量赋值，将 `TARGET` 变量赋值为字符串 `my_sweet_program`。按照惯例，也是我的习惯，所有 `Makefile` 变量均使用大写字母并用下划线分隔单词。
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02 行包含该<ruby>步骤<rt>recipe</rt></ruby>要创建的文件名和其依赖的文件。在本例中，构建<ruby>目标<rt>target</rt></ruby>是 `my_sweet_program`，其依赖是 `main.c`。
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最后的 03 行使用了一个制表符号（`tab`）而不是四个空格。这是将要执行创建目标的命令。在本例中，我们使用 <ruby>C 编译器<rt>C compiler</rt></ruby>前端 `cc` 以编译链接为 `my_sweet_program`。
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使用 `Makefile` 是非常简单的。
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```
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$ make
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cc -o my_sweet_program main.c
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$ ls
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Makefile main.c my_sweet_program
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```
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构建我们喵呜喵呜编码器/解码器的 [Makefile][8] 比上面的例子要复杂，但其基本结构是相同的。我将在另一篇文章中将其分解为 Barney 风格。
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### 形式伴随着功能
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我的想法是程序从一个文件中读取、转换它，并将转换后的结果存储到另一个文件中。以下是我想象使用程序命令行交互时的情况：
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$ meow < clear.txt > clear.meow
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$ unmeow < clear.meow > meow.tx
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$ diff clear.txt meow.tx
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$
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```
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我们需要编写代码以进行命令行解析和处理输入/输出流。我们需要一个函数对流进行编码并将结果写到另一个流中。最后，我们需要一个函数对流进行解码并将结果写到另一个流中。等一下，我们在讨论如何写一个程序，但是在上面的例子中，我调用了两个指令：`meow` 和 `unmeow`？我知道你可能会认为这会导致越变越复杂。
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### 次要内容：argv[0] 和 ln 指令
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回想一下，C 语言 main 函数的结构如下：
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int main(int argc, char *argv[])
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```
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其中 `argc` 是命令行参数的数量，`argv` 是字符指针（字符串）的列表。`argv[0]` 是包含正在执行的程序的文件路径。在 Unix 系统中许多互补功能的程序（比如：压缩和解压缩）看起来像两个命令，但事实上，它们是在文件系统中拥有两个名称的一个程序。这个技巧是通过使用 `ln` 命令创建文件系统链接来实现两个名称的。
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在我笔记本电脑中 `/usr/bin` 的一个例子如下：
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```
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$ ls -li /usr/bin/git*
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3376 -rwxr-xr-x. 113 root root 1.5M Aug 30 2018 /usr/bin/git
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3376 -rwxr-xr-x. 113 root root 1.5M Aug 30 2018 /usr/bin/git-receive-pack
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...
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```
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这里 `git` 和 `git-receive-pack` 是同一个文件但是拥有不同的名字。我们说它们是相同的文件因为它们具有相同的 inode 值（第一列）。inode 是 Unix 文件系统的一个特点，对它的介绍超越了本文的内容范畴。
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优秀或懒惰的程序可以通过 Unix 文件系统的这个特点达到写更少的代码但是交付双倍的程序。首先，我们编写一个基于其 `argv[0]` 的值而作出相应改变的程序，然后我们确保为导致该行为的名称创建链接。
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在我们的 `Makefile` 中，`unmeow` 链接通过以下的方式来创建：
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```
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# Makefile
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...
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$(DECODER): $(ENCODER)
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$(LN) -f $< $@
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...
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```
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我倾向于在 `Makefile` 中将所有内容参数化，很少使用 “裸” 字符串。我将所有的定义都放置在 `Makefile` 文件顶部，以便可以简单地找到并改变它们。当你尝试将程序移植到新的平台上时，需要将 `cc` 改变为某个 `cc` 时，这会很方便。
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除了两个内置变量 `$@` 和 `$<` 之外，该<ruby>步骤<rt>recipe</rt></ruby>看起来相对简单。第一个便是该步骤的目标的快捷方式，在本例中是 `$(DECODER)`（我能记得这个是因为 `@` 符号看起来像是一个目标）。第二个，`$<` 是规则依赖项，在本例中，它解析为 `$(ENCODER)`。
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事情肯定会变得复杂，但它还在管理之中。
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via: https://opensource.com/article/19/7/structure-multi-file-c-part-1
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作者：[Erik O'Shaughnessy][a]
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选题：[lujun9972][b]
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译者：[萌新阿岩](https://github.com/mengxinayan)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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[a]: https://opensource.com/users/jnyjnyhttps://opensource.com/users/jnyjnyhttps://opensource.com/users/jim-salterhttps://opensource.com/users/cldxsolutions
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[b]: https://github.com/lujun9972
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[1]: https://opensource.com/sites/default/files/styles/image-full-size/public/lead-images/programming_keyboard_coding.png?itok=E0Vvam7A (Programming keyboard.)
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[2]: https://linux.cn/article-10949-1.html
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[3]: https://en.wikipedia.org/wiki/Unix
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[4]: http://harmful.cat-v.org/cat-v/
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[5]: http://www.jabberwocky.com/software/moomooencode.html
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[6]: https://giphy.com/gifs/nyan-cat-sIIhZliB2McAo
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[7]: https://github.com/JnyJny/meowmeow
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[8]: https://github.com/JnyJny/meowmeow/blob/master/Makefile
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