程式設計心法：化繁為簡，執簡御繁(上)

如果撰寫程式可以依境界高下分成很多個層次，那麼吾人雖然不見得有能力窺見最高的境界，但是可以確定的說法是，「讓程式達成需求」只是這眾多高下不同的境界中最基礎的那一個層次。這樣的說法，或許令人感到迷惑，因為撰寫程式的目的，不就是為了達成系統開發的需求嗎？

為什麼達成需求只是第一個層次呢？這是因為軟體系統的開發，有許多其他的因子必須考慮，這些因子中有的會影響軟體系統本身的特性，也有的會影響到軟體系統開發專案的特性。例如，軟體系統的執行效能就是一個重要的因子，同樣都是能夠達成功能需求的兩支程式，在執行效能上的表現，卻可能有著天壤之別。又好比軟體開發的生產力，優良與拙劣的程式技巧或方法，它們的生產力有時往往不只數倍之差。這些眾多的因子，使得程式撰寫成了一門幾乎無限界的學問，而其中又充滿窮之無盡的藝術。

在程式撰寫的學問中，「化繁為簡，執簡御繁」是許多程式員所努力追求的目標。我們所開發的系統，通常充滿著各式各樣看似十分繁雜多變的需求，但往往需求與需求之間本質上卻又有共通之處，倘若能夠掌握這些部份，是否就能更輕易處理這多變的需求呢？

對於前段所言，我曾在C語言的聖經本《The C Programming Language 2nd Edition》中看到一個很經典的例子，是關於快速排序法（Quick Sort）的。我們只需要檢視這個函式的原型，毋需觀看整個函式的定義，就能夠明白其中的奧妙之處，它是這樣子宣告的：

void qsort(void *lineptr[], int left, int right,
int (*comp)(void *, void *));

lineptr是個陣列，儲放要被排序的標的物，left及right分別是要被排序的陣列索引值範圍，而comp是個函式指標，稍後我們再來說明它的作用。

剛入門的程式員倘若被交付任務，要撰寫出一個快速排序法的函式，他可能會先這麼宣告此函式的原型：

void qsort(int lineptr[], int left, int right);

這麼一來，這個函式便能針對整數值陣列進行排序。很不巧的，他接著又被告知，我們還會需要一個針對浮點數做快速排序的函式，所以呢，這位程式員，只好祭出拷貝並複製（copy & paste）的絕技，將已經寫好的整數快速排序，複製成另一份，把int稍加更動一下，成為float，又同時更名：

void qsort_f(float lineptr[], int left, int right);

如果有天需要針對新的型別再排序，便可以再如法泡製：

void qsort_foo(foo lineptr[], int left, int right);

這樣看似解決問題，但爾後隨著需求不斷的湧現，需要做快速排序的型別愈來愈多，套用同樣的方式的確能夠解決需求端的問題，但也衍生出其他的問題。

這樣的問題主要源自於兩大因素，第一個是重複的程式碼所造成的維護問題，第二個則是無法大幅提昇生產力的問題。

當我們的系統中充斥著重複形式的程式碼時，倘若要修改這段程式碼（基於發現了這段程式有臭蟲、或者基於想要加以擴充的需求），你會發現不容易在整個龐大的code base中找出這些形式類似的程式碼片段，而且修改難免有漏網之魚。即使完全找出所有衍生自同一段程式碼的程式碼片段，也會面臨修改不易的困境，複製過的片段愈多，修改起來愈耗力。

再者，複寫、再修改相同形式的程式碼，也許能稍微提昇開發程式碼的生產力，畢竟修改基於某個已經存在的程式碼片段，也可以節省重頭開始撰寫的時間。

但是，即便如此，程式員仍得費心檢查目前需要的程式碼，與做為範本的程式碼之間，深入比較兩者究竟存在的差異是什麼，並且在修改時套用這樣的差異。在這過程中，仍然有我們回頭看看聖經本上的經典範例，在這個範例中，lineptr被宣告為void *，它根本就不去侷限被排序的型別究竟為何，使得它可以被套用在任意型別的排序！

在前文中，我們並沒有寫下qsort()的實際定義，但是在這個函式中，隨著型別而變的部份只有一個，就是比較兩個值的大小。對於整數，我們可以寫死為整數的>及<運算子；對於浮點數，我們可以寫死為浮點數的>及<運算子，但對於不可預測的型別呢？

聖經本的經典範例利用了函式指標comp來達成。通用性質的快速排序，在遇到需要比較兩值的大小時，便會呼叫comp函式指標並傳入欲比較的兩個值，由此函式指標來告訴快速排序的演算法比較的結果為何。這麼一來，快速排序演算法的撰寫，便和排序的型別完全脫離關係。只要撰寫一份qsort()，之後要針對不同的型別進行排序，只要為該型別提供一份比較函式的實作，屆時傳入指向該函式的指標進入qsort()即可，想要為新的型別進行排序，十分快速，生產力可藉此提昇。

倘若，發現了qsort()的實作有問題或需要加以擴充，只需要修改這唯一的一份qsort()，其餘呼叫qsort()來針對不同型別進行排序的程式碼，完全不需要更動，重複程式碼在維護上的問題也完全消失。

有人說，《The C Programming Language 2nd Editio》裡的範例個個都經典到不行，一個例子可以抵得上十個例子。這雖然是拿來說明函式指標的作用，卻恰好在無形間點出「化繁為簡，執簡御繁」之道。

我們需要針對五花八門的型別進行快速排序，這是可以看到的繁複表象，但在繁複的表象之中，有一個很簡單的核心，就是快速排序的演算法本身。倘若我們能夠像這個例子中一樣的「化繁為簡」，那麼便能夠憑藉著既單純又簡化的核心，「執簡御繁」。

那麼，不禁要問的是，要如何做才能「化繁為簡」，以進一步達到「執簡御繁」的效果呢？就請見下一集分曉。

《作者簡介》王建興
清華大學資訊工程系的博士研究生，研究興趣包括電腦網路、點對點網路、分散式網路管理、以及行動式代理人，專長則是Internet應用系統的開發。曾參與過的開發專案性質十分廣泛而且不同，從ERP、PC GAME到P2P網路電話都在他的涉獵範圍之內。