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高效重构 （三）：构建高效工程环境

高效实施重构

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.
本节以C/C++语言为例，总结了一些和高效重构相关的语法及工程实践方面的关注点，这些点同样可以供别的编程语言参考。

语言相关

不同编程语言的设计和发展历程不同，导致语法层面有些方面对重构非常友好，但也都有不利于开展重构的语法特性。例如C++，由于它语法相对复杂，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。重构工具对编程语言的支持，其中一个重要的点在于对代码引用点分析查找的可靠性。 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.

C++中会让重构难以进行的语法包含以下:

  • 宏
  • 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

重构的安全性依赖于快速的自验证测试用例。基本每种编程语言都有对应的xUnit测试套件，可以对软件进行自动化测试用例的开发和执行.

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. 而Testngpp和Gtest一样跨平台，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，支持方便的对测试依赖文件进行物理替换，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，受众相对小，文档也不全面。

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。事实上mock技术在测试中经常容易被滥用，导致编写过多的面向行为的脆弱测试用例. 其实在测试中直接打桩进行状态验证成本并不高，所以现今我已经很少使用mock工具了。但是学会一款mock工具留着在适合的时候偶尔使用一下也是不错的.

关于C/C++语言中如何做好自动化测试以及挑选合适的测试框架，可以参考这篇文章："C/C++如何做好单元测试"。

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...

对于Java来说无论eclipse或者IntelliJ IDEA都相当不错，而对于类似C/C++这样相对复杂的静态语言，或者动态脚本语言，都相对难找到一款高效好用的全面支持自动化重构的IDE。

对于C++ IDE，这里做以下对比和推荐:

  • 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。据说从Visual studio 2015以后已经内置了很多重构功能，不过本人没有试过.
  • 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 ...)。本人试用过1.0版本，比较耗性能，当时用户也还不是特别多。
  • eclipse-cdt
    个人使用频率比较高的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.

关于如何为C/C++语言挑选好用的IDE，具体可以参考"C++ IDE口味谈"和"Effective Eclipse CDT"系列文章。

物理重构

物理设计往往容易被人们忽视，但其实它对软件的易理解性和可维护性也非常重要！ 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。所以程序员除了掌握一般的代码元素级别的重构，还需要熟悉常见的物理级别的重构，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++语言，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。

以下以C/C++举例，看看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). 
    // Runtime.h
#ifndef HDEA41619_5212_4A92_8A09_3989000E6BAE
#define HDEA41619_5212_4A92_8A09_3989000E6BAE

struct Runtime
{
    void run();
};

#endif

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. 尤其是对于大型的C/C++工程，需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。

以下是一些针对C/C++工程的编译构建实践经验:

  • 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 example
...
SRCS += $(abspath($(shell find $(SOURCE_HOME) -name "*.cpp")))
OBJS = $(subst $(SOURCE_HOME)，$(TARGET_HOME)，$(SRCS:.cpp=.o))
...
$(TARGET_HOME)%.i : $(SOURCE_HOME)%.cpp
    $(CXX) -E -o $@ -c $<
$(TARGET_HOME)%.o : $(SOURCE_HOME)%.cpp
    $(CXX) -o $@ -c $<
$(TARGET):$(OBJS)
    @$(generate-cmd)
  • 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.

# make_depend.mak
# this file implement the makefile function for dependencies rules

# $(call make-depend，source_file，object-file，depend-file)
define make-depend
    mkdir -p $(dir $3);
    $(CC) $(CFLAGS) $(CPPFLAGS) -MM $(INCLUDE) $(TARGET_ARCH) $1 > $3.tmp1;
    $(SED) 's，\($(notdir $*)\)\.o[ :]*，$2 $3 : ，g' < $3.tmp1 > $3.tmp
    $(SED)  -e 's/#.*//'                                           \
    -e 's/^[^:]*: *//'                                             \
    -e 's/ *\\$$//'                                                \
    -e '/^$$/ d'                                                   \
    -e 's/$$/ :/' $3.tmp >> $3.tmp
    $(MV) $3.tmp $3
    $(RM) $3.tmp1
endef

# should use the make-depend as follow
# %.o: %.c
#   $(call make-depend，$<，$@，$(subst .o，.d，$@))
#   $(CC) -o $@ $<

后记

作为一名软件技术咨询师，过去些年指导过许多大型软件系统的重构工作。 这篇文章基本上是自己多年工作实践的一些心得，包括对如何高效实施重构的一些精炼和总结。

对于大型的软件重建，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！

高效重构（一）：正确理解重构
高效重构（二）：掌握重构手法

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