人們常把程序稱為計算機的靈魂。1976年瑞士計算機科學家Niklaus Wirth在他的驚世之作中提出了一個著名的公式：

程序 = 算法 + 數據結構

從今天的觀點來看，它只能是對過程化程序的一個抽象定義，對面向對象的程序而言則不盡然。不過對我們學習C語言這樣的面向過程的程序設計語言而言，是完全適用的。同時，C語言也能實現封裝、繼承、多態等面向對象風格的編程。從個人經驗來看，當我理解用C語言編寫面向對象的風格的編程案例后，面向對象編程中讓人迷惑的那些初始化、this、方法（函數）多層次調用等概念恍然大悟，再也不感到恐懼和迷惑了。本文主要討論面向過程編程常用的模塊兒化程序設計思想。

圖1 實現虛擬機原理

1、我們在計算機“大樓”的第幾層

計算機這個大樓的基礎是量子力學及半導體物理，自從圖靈提出了理論模型，布爾創立了布爾代數，香農的碩士論文證明布爾代數可以用繼電器的開關電路實現之后，隨著晶體管的發明，計算機的電路才有可能微型化。計算硬件電路完成以后，還需要軟件的支持，對程序語言的需求就凸顯出來，最早的機器語言及匯編語言，后來慢慢出現的C, C++這樣的高級語言等非常適合系統級編程，也是近距離觀看和理解編程思想有效手段之一。

圖2 計算機“大樓”的層次

在圖2中各層具體含義為：1F量子力學、2F晶體管、3F邏輯電路、4F計算機體系結構、5F匯編語言、6F高級語言、7F應用程序。從這點可以看出，作為高級語言的C/C++在第六層（6F）。其中第三層（3F邏輯電路，即布爾代數可以用繼電器的開關電路實現）是我們連接軟件世界和電路（電子或電氣）世界必經之路。工業和自控領域，繼電器是理解二次側回路和低壓電路的必備概念，在后續文章中進一步討論。

2、模塊兒化程序設計

模塊化程序設計就是進行大型程序設計的一種有效措施。其基本思想是將一個大的程序按功能進行分割成一些模塊，使每一個模塊都成為功能單一、結構清晰、接口簡單、容易理解的小程序。C語言是一種提供如下一些支持模塊化軟件開發的功能：

(1)函數式的程序結構：程序整體由一個或多個函數組成。每個函數都具有各自獨立的功能和明顯的界面。

(2)允許通過使用不同存儲類別的變量，控制模塊內部及外部的信息交換。

(3)具有編譯預處理功能，為程序的調試、移植提供了方便，也支持了模塊化程序設計。

無論涉及的問題是復雜還是簡單，規模是大還是小，用C語言設計程序，任務只有一種，就是編寫函數，至少也要編寫一個main()函數。對新手來說，無論面向過程還是面向對象的編程，最終的難點在于函數編寫（一般在面向對象編程中叫做方法）。因此，編寫程序關鍵點在于將復雜問題分解成多個函數或對象后，逐步編寫其中的運算操作語句和流程控制語句。

執行C程序就是執行相應的main()函數。即從它的main()函數的第一個前花括號開始，依次執行后面的語句，直到最后的后花括號為止。其它函數只有在執行main()函數的過程中被調用時才執行。如圖3所示：

圖3 將功能改為函數的過程

3、重新理解編程中的函數

高級語言中“函數”的概念和數學中“函數”的概念不完全相同。在英語中“函數”與“功能”是同一個單詞即function。高級語言中的“函數”實際上是“功能”的意思。當需要完成某一個功能時，就用一個函數（可以是標準庫函數或自己設計的函數）去實現它。在進行程序設計時，我們先集中考慮main()函數中的算法（相當于做事情前后順序和處理步驟）。當main()中需要使用某一功能時，我們就先寫上一個調用具有該功能的函數的表達式（或后綴為括號的具體函數名稱）。這時的函數相當于一個黑盒子，如圖4所示。

圖4 函數代表著具有輸入輸出接口系統或黑盒子

我們只須知道它具有什么功能或作用，如何與程序通信（輸入什么，返回什么）,別的東西我們先不去處理它。圖4好比“信號與系統”課程中的“系統”的抽象，但函數代表的系統輸入和輸出不是信號而是數據（當然信號也能用數據標識）。

如同設計一部機器一樣，當需要在某處使用一個部件時，我們就先把它畫上，并標明它的功能以及安裝方法，至于如何制造先不用考慮，因為也許它可以直接購買來。設計完main()的算法并檢驗無誤后，我們開始考慮它所調用的函數。在這些被調用的函數中，若在庫函數中可以找到（像制造機器時，庫房中已有的零部件），那就直接使用，否則再動手設計這些函數。這樣設計的程序從邏輯關系上就形成圖5所示的層次結構。

圖5 C語言程序的層次結構

這個層次結構的形成是自頂向下的。這種方法稱為自頂向下、逐步細化的程序設計方法。這種方法允許人在進行程序設計時， 每個階段都能集中精力解決只屬于當前模塊的算法，暫不考慮與之無關的細節， 從而能保證每個階段所考慮的問題都是易于解決的，設計出來的程序成功率高，而且程序層次分明、結構清晰。

4、結束語

函數不僅代表功能，也可以代表人或其他任何對象的抽象。一個部門的組織架構也用一個C語言多層次函數來描述。一個職責和任務沒有劃分清楚組織架構就像一個設計不合格的程序結構。許多大型軟件系統包含了相當豐富的功能，意味著需要編寫相當數量的函數來實現可供從事某種領域工作的人員使用。比如說，數據中心基礎設施大致上可分為電源、電氣、暖通、弱電、消防（氣消）、裝修、自控、柴油發電機組等。為了建設方方便，我們也可以將部分功能放到機房工程模塊里。因此，怎么的劃分各功能模塊及其接口是某種程度上決定著軟件系統性能、可擴展性和靈活性。