高效重构 C++ 代码(下)

高效重构

当我们熟练掌握了重构技术后,还不能就此说自己在实践中已经可以安全而高效地实施重构了! 因为落到真正的工程实践环境,安全和高效的重构过程还需要好用的IDE工具,成熟的自动化测试套件,快速高效的开发构建环境,以及良好的编码习惯来支撑.

本节针对C++语言,总结了一些对实施重构非常有用的工程实践经验. 当然其中决大部分也适用于C语言开发.

语言相关

由于C++的复杂性,导致业界对C++的自动化重构工具支持一直非常不理想.很多重构到目前为止只能手工进行. 重构工具对语言的支持的一个难点在于对代码引用点的分析查找. C++中有很多语法会干扰到这一分析,导致难以进行自动化重构.
具体会让重构难以进行的语法包含以下:

  • 指针
  • 函数重载
  • 操作符重载
  • 默认参数
  • 类型强转
  • 隐式转换
  • 友元
  • 模板

还有一些不合理的编码规范,也会阻碍到重构的进行,例如

  • 匈牙利命名
  • 函数单一出口
  • 大而全的common头文件

上述语法或者规范不仅会让自动化重构难以进行,也会干扰到手动重构. 对于不好的编码规范要及时摒弃! 对于会妨碍重构的语言元素要慎重使用,最好保持其影响在一定范围内,缩小重构时查找引用不确定性的范围.

当然C++语言中也有一些语法非常有利于重构,例如:

  • const
  • 访问限制修饰符private,protected
  • 匿名namespace
  • 局部变量延迟定义

这些语言元素有些会让代码语义更明确,有些会限制代码元素的可见度,缩小引用查找范围. 对于这些语言元素在开发中尽可能多的去使用,可以让重构变得更加容易.

最后,保持好的编码习惯,例如一开始就不要将文件类函数搞得过大,尽可能多的对外隐藏细节,对复杂语法的使用保持慎重态度,这样每次重构的成本都会小很多.

自动化测试

由于重构依赖的测试需要快速高效,所以我们往往选择xUnit测试套件,可以对软件进行小模块级别的黑盒测试或者单元测试.
目前针对C++,可供选择的xUnit套件有gtest,Testngpp,CppUnit,CXXTest以及Boost Test等. 目前最多人使用的应该是gtest,由于使用广泛所以非常成熟,支持跨平台,方便简单容易上手,提供了丰富的断言机制和成熟的用例管理. 当然gtest也有其问题,主要是测试注册机制不够优雅导致限制过多,测试用例运行期不能隔离导致互相影响,测试工程的组织不能模块化导致单元测试不能显示化物理依赖,无法低成本完成测试依赖文件的物理替换.
经过个人使用,目前功能最强大的C++测试套件应当是Testngpp,它也支持跨平台,测试注册依靠脚本扫描所以限制很少,另外和gtest一样断言丰富,用例管理成熟. 它最大的强大之处是支持沙盒模式,测试用例运行期间互相隔离,不会彼此影响. 另外,Testngpp支持模块化管理测试工程,对于单元测试可以显示化物理依赖. 同时模块化内可以方便的进行测试依赖文件的物理替换,这一特性对于没有虚接口情况下的mock非常实用.但是由于Testngpp的强大,也导致了它某些情况下不如gtest方便使用.

在使用xUnit的同时再能结合一款合适的Mock框架,可以大大降低单元测试的成本.对于C++目前最好用Mock框架是Mockcpp,没有之一! 用gmock的同学尽快转过来:)! 由于Mock经常容易被滥用,导致过多的针对行为进行验证.而且往往对于测试直接打桩进行状态验证成本并不高,所以目前来说我已经很少使用Mock工具了.但是留着它在适合的时候偶尔使用一下也是不错的.

最后,我们都知道重构需要自动化测试的支持! 但是并不是没有自动化测试,重构就不能开展! 有些历史遗留代码,一开始很难加进去测试,必须要先着手修改,才能逐渐添加测试. 这时起步需要的就是对安全小步的重构手法的熟练掌握,以及利用原有手工测试进行安全保证. 当对软件进行修改从而可以添加自动化测试后,重构慢慢就上轨道了.

IDE

为了提高重构效率,我们需要一款智能的IDE.它需要支持基本的自动化重构,能够高效准确的搜索到代码的引用点,支持良好的面向对象风格代码浏览,高效流畅地快捷键…

本人使用过的一些不错的C++ IDE有:

  • Visual studio C++
    自身的重构工具并不完善,但是加上番茄小助手就很不错了.支持自动重命名,自动提取函数,重命名类还会自动把类的头文件和所有的#include点的文件名都做一修改.最大的缺点是不能跨平台,而且耗费机器资源较多.最新发布的Visual studio 2015据说已经内置了很多重构功能,不过还没有试过.
  • clion
    Jetbrains公司出品的跨平台C/C++IDE,号称要做最强大的C++ IDE. 目前是收费的,免费的只能试用30天。工程构建只支持CMake,另外只能在64位机器上使用。 Clion内置的自动化重构菜单是最强大(支持rename,inline,extract,Pull member up/down …)。目前发布了1.0版本,用户还不是特别多,可以持续关注.
  • eclipse-cdt
    个人目前使用最多的C++ IDE. 最大的好处是支持跨平台. 用eclipse在类的继承引用关系之间跳转非常流畅. 支持简单的重命名,提炼函数,提炼常量等自动化重构. 从luna版本开始支持重命名文件或者移动文件的时候会自动替换所有#include中的路径名. 个人目前最满意的C++ IDE.

对于静态类型语言,好的IDE可以在很多地方帮助开发者提高效率. 如果你还在使用Source Insight或者其它高级文本编辑器来进行大规模C++代码开发,我建议你试试上面推荐的IDE,总有一款适合你,保证你一旦使用就会离不开它! 如果你还有其它更好的,也请拿出来分享给大家!

物理重构

物理设计对C/C++程序来说非常重要! 好的物理设计不仅可以减少物理依赖,还会有利于软件的构建和发布,并且还会方便理解和查找代码元素. 所以C/C++程序员除了一般的代码元素级别的重构,还需要经常进行物理级别的重构,包括文件重命名,文件提炼,文件移动,或者目录结构调整等等. 对于C/C++来说物理重构比较繁琐的地方在于经常需要同步修改makefile或者头文件的#include引用点. 以下是一些和物理重构相关的经验技巧(make相关的见下节):

  • 每个文件只包含一个类,并且文件名和类名相同. 这样方便重命名类的时候IDE自动对文件进行重命名.
  • 利用IDE提供的自动化重命名或者移动菜单进行文件/目录的重命名或者移动,以便IDE可以对涉及文件的所有#include引用点进行路径自动替换.
  • 使用IDE提供的自动化头文件添加功能来添加物理依赖,例如在eclipse中是ctrl+shift+n
  • 配置IDE的头文件模板,让自动生成头文件的Include Guard使用Unique Identifier,避免每次头文件重命名后还得要修改Include Guard(见下). (最新的eclipse mars版本中在Windows -> Preferences -> C/C++ -> Code Style -> Name Style -> Code -> Include Guard 中选择 Unique Identifier,较老版本需要在workspace中修改配置文件,可以自行google修改办法).

编译构建

不好的编译构建工程不仅干扰到物理重构,更重要的可能导致编译效率底下从而让重构无法正常开展. 没人愿意在每次构建都要几十分钟到数小时的工程上进行频繁重构. 大型C/C++工程要对其编译构建过程进行持续地分析优化,不断提高版本的编译构建速度. 另一方面,工程需要支持增量编译,以及可以对任意一个指定的子模块或者文件单独进行编译.

关于编译构建的一些实践经验如下:

  • makefile中尽可能使用模式规则.自动搜索文件.不要显示使用源文件名,否则每次重命名文件后都得要修改makefile.
  • makefile中为预编译目标文件设置规则,不仅有利于解决一些宏展开的问题,更重要的可以快速解决一些头文件包含上的编译难题.
  • makefile采用自底向上组织,保证每个源代码文件单独可编译,每个模块单独可编译. 最终产品版本的构建调用每个模块的makefile生成编译中间产物后进行链接. 不要采用自顶向下传递make参数的makefile工程管理模式,否则每次编译任何一个文件或者模块都要全编译所有代码.
  • 尽可能使用并行编译. 在Visual Studio下可以使用IncrediBuild分布式编译工具. 对于make使用-j选项,并且可以使用distcc来进行分布式编译.另外可以使用ccache来做缓存加速编译。
  • 将测试工程的编译构建和真实产品版本的构建分离,测试工程的编译构建可以采用更好的工具:例如cmake,rake等.
  • 保证增量编译可用,并且是可靠的.

很多项目虽然有增量编译,但是都不够可靠,尤其是当有头文件删除的时候! 另外每次无论是否有依赖变化,makefile都要重新生成加载.d文件,效率也很低下. 所以大多数时候增量编译功能是关闭的!
《GNU Make项目管理》一书中提供了很多大型工程中make组织的优秀实践,其中有一段对增量编译可靠高效的makefile片段,我将其提炼成了一段make函数,见下面,大家可以使用.

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总结

我过去几年的工作主要在大型电信系统的软件重构, 这篇文章基本上是自己工作实践的一些心得,包括对《重构》一书的一些精炼和总结. 当然关于重构最精华的部分还是在原书的每一处细节中. 励志学好重构的同学对于《重构》一书最好能够反复阅读实践.

对于再大型的软件重构,无论你的目标架构多么漂亮,最终还必须是一行一行的代码修改。如何安全可靠并且高效地修改代码,必然是落地的基本技能!

对于日常开发也是如此, 保持代码符合简单设计是一项日常行为,重构是达成它的唯一方式. 对重构的使用应该融入到代码开发的每时每刻,到最后不必强行区分是在开发还是重构,就像《重构》的序言中所说”变得像空气和水一样普通”. 希望每个学习重构的同学都能体会到这种感觉!

千里之行,始于足下!

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关于作者:魔术大师

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