从混乱到清晰：嵌入式软件重构的实用技巧

原文：https://www.cnblogs.com/clover-toeic/p/3842758.html

具体的重构手段可参考《代码大全2》或《重构：改善既有代码的设计》，本文不再班门弄斧，而侧重重构时一些粗浅的“方法论”，旨在提高重构效率。
作者未采用重量级的重构工具，仅用到Source Insight的”Smart Rename”功能。也未使用CUnit等单元测试工具，而是通过在线调测和自动化测试保证代码的正确性。
一 背景 
MDU系列产品从他处接手，OMCI模块相关人员含作者在内不过三五人。除新增功能的开发外，大量时间花费在处理遗留故障上。但该模块代码庞杂且可读性差，导致大家仅了解其“大概轮廓”，难以放心地使用和维护。
此外，忙碌容易使人迷失方向。主要的时间精力花费在故障处理上时，自然无暇考虑整改代码，从而陷入四处救火、疲于奔命的尴尬境地。
二 目标 
重构的主要目的在于改善既有代码的设计，而不是修改缺陷、新增功能等。
重构可以是修改变量名、重新安排目录这样简单的物理重构，也可以是抽取子函数、精简冗余设计这样稍许复杂的逻辑重构。但均不改变现有代码的功能。
重构可以将意大利面条式的杂乱代码整理为千层饼式的整洁代码。整洁的代码更加健壮，因其便于建立完善的测试防护网。同时，新手老人均可放心地修改。
期望重构之后，代码逻辑一目了然，扩展和修改非常方便，出现故障时能迅速定位和修复。前人摔跤过的地方后人不再栽倒，前人思考出的成果后人可直接借用。总之，高度人性化，极大解放人力和脑力。
最初的想法是，通过重构部分流程和代码(代码先行)，建立测试防护体系，生成阶段报告，展现代码质量(实例加数据)和故障收敛曲线。借助这样的报告，可望获得领导层的支持和宣贯，也有利于绩效考核。
三 实践 
具体实践时，作者并未进行纯粹的“重构”，还兼做缺陷修改，并增加自动化测试等辅助功能。原则上，对既有代码注重重构，对新增代码注重复用。
3.1 代码研读
OMCI模块代码庞杂，分支众多，上手困难(据称半年勉强入门，一年才能熟练)。若不能有效掌握现有代码，后续难免被迫付出时间健康而又得不到项目认同(事实上，模块内发现的遗留故障源源不断)。反之，若能全面掌握现有代码，后续才可能通过反向工程、系统/代码恢复和重构等手段，将模块改造得更易开发和维护，最终解放编码者自己。
为提高代码研读效率，可采用分工阅读和代码注释的方法。
“分工阅读”是指将模块分为若干块子功能(如协议解析、告警、统计、二层、语音等)，组内每人负责一块或几块，不定期地交流和轮值。
“代码注释”是指在学习代码过程中，随手注释代码(大至流程、函数，小至代码行)，功能、意图、技巧、缺陷、疑问等均可(凡经过思考的地方都是可加注释之处)。其中“疑问”既可咨询兄弟产品同一模块的同事再转换为功能或意图，也可由其他注释者解答。
这样做的好处是：避免重复钻研；经验积累；可供量化。
代码可取产品最新版本，建立服务器公共代码目录(SVN管理更好)。注释时不要覆盖其他人的注释即可。
建议注释统一格式，便于识别和检索，形如”//>”。以下示出一个代码注释实例：
 case OMCI_ME_ATTRIBUTE_2: // Operational state
     if (attr.attr.ucOperationState != 0 && attr.attr.ucAdminState != 1) //xywang0618> BUG: should be ucOperationState!
     {
         return OMCI_FUNC_RETURN_OUT_OF_RANGE;
     }
     break;
3.2 可读性
首先，规范变量、函数等命名。具体方法不再赘述。
其次，注释到位，尤其是全局变量和通用函数。举例如下：
/******************************************************************************
* 函数名称:  ByteArray2StrSeq
* 功能说明:  掩码字节数组字符串化
            该数组元素为掩码字节，将其所有值为1的比特位置转换为指定格式的字符串
* 输入参数:  pucByteArray: 掩码字节数组
            ucByteNum   : 掩码字节数组待转换的有效字节数目
            ucBaseVal   : 掩码字符串起始字节对应的数值
* 输出参数:  pStrSeq     ：掩码字符串，以','、'-'间隔
            形如0xD7(0b'11010111)  ---> "0-1,3,5-7"
* 返 回 值:  pStr        ：pStrSeq的指针备份，可用于strlen等链式表达式
* 用法示例:  INT8U aucByteArray[8] = {0xD7, 0x8F, 0xF5, 0x73};
            CHAR szSeq[64] = {0};
            ByteArray2StrSeq(aucByteArray, 4, 0, szSeq);
               ----> "0-1,3,5-8,12-19,21,23,25-27,30-31"
            memset(szSeq, 0, sizeof(szSeq));
            ByteArray2StrSeq(aucByteArray, 4, 1, szSeq);
               ----> "1-2,4,6-9,13-20,22,24,26-28,31-32"
* 注意事项:  因本函数内含strcat，故调用前应按需初始化pStrSeq
******************************************************************************/
CHAR *ByteArray2StrSeq(INT8U *pucByteArray, INT8U ucByteNum, INT8U ucBaseVal, CHAR *pStrSeq);
最后，整改晦涩难懂的代码。主要有两种手段：
1) 改写方法
以PON光路检测为例，底层接口提供的光功率单位为0.1uW，OMCI协议Test消息上报的光功率单位为0.002dBuW，而Ani-G功率属性单位则为0.002dBmW。
原有代码转换如下(为突出重点有所改编)：
INT16S wRxPower = GetRxPowerInDot1uW(); //接收光功率
if(wRxPower < 1){
    wRxPower = 1;
}
/*0.1uw to 0.002dbm*/
dblVal = 10 * log10(wRxPower) - 40;
dblVal = dblVal * 500;
wRxPower = (INT16U)dblVal;
wRxPower  = (int)wRxPower*100;

/*opt pwr  0.00002db      X  * 0.00002*/
wRxPower = wRxPower + (30 * 500) * 100;
if(wRxPower < 0){
    val = (INT16U)((0 - wRxPower) / 100);
    val = (((~val) & 0x7fff) + 1) | 0x8000;
    wRxPower = val;
}
else{
    wRxPower = wRxPower / 100;
}
可见，原实现中转换关系非常晦涩难懂。其实借助1dBuW=10*lg(1uW)和1dBuW-1dBmW=30dB两个公式，经过简单的数学推导即可得到更简洁易懂的表达(为突出重点有所改编)：
INT16S wRxPower = GetRxPowerInDot1uW(); //接收光功率
//Test单位0.002dBuW，底层单位0.1uW，转换关系T=(10*lg(B*0.1))/0.002=5000*(lgB-1)
wRxPower = (INT16S)(5000 * (log10((DOUBLE)wRxPower)-1));

//Ani-G功率属性单位0.002dBmW，Test结果单位0.002dBuW
//转换关系A(dBmW)*0.002 + 30 = T(dBuW)*0.002，即A=T-15000
INT16S wAniRxPwr = wRxPower - 15000;
注意，原实现中误认为Ani-G功率属性与Test结果的单位相同，新实现已修正该错误。
2) 封装函数
以实体属性的掩码校验为例，原有代码如下：
/*掩码初校验*/
if ((OMCIMETYPE_SET == vpIn->omci_header.ucmsgtype)
 || (OMCIMETYPE_GET == vpIn->omci_header.ucmsgtype))
{
    wMask = W(response.omcimsg.auccontent[0],response.omcimsg.auccontent[1]);
    usSupportMask = (1 << (OMCI_ATTRIBUTE_NUMBER - map.num))-1;
    if( 0 != (wMask & usSupportMask))
    {
        OmciPrint_warn("[%s] check mask warning: (meclass[%u], meid[%u], msgtype[%u], mask[0x%x], unsupport mask[0x%x])!\n\r",
                       FUNCTION_NAME, vpIn->omci_header.wmeclass, vpIn->omci_header.wmeid, vpIn->omci_header.ucmsgtype, wMask, usSupportMask);
    }
}
对usSupportMask赋值及判断的语句(第6~7行)，用于校验掩码是否越界。为更具可读性，将其封装为如下函数：
/******************************************************************************
* 函数名称:  OmciIsMaskOutOfLimit
* 功能说明:  判断实体属性掩码是否越界(比特1数目超过属性数目)
* 输入参数:  INT16U wMeMask  :实体掩码
*           INT8U ucAttrNum :属性数目
* 输出参数:  NA
* 返 回 值:  BOOL
******************************************************************************/
BOOL OmciIsMaskOutOfLimit(INT16U wMeMask, INT8U ucAttrNum)
{
    //wMeMask     :mmmm mmmm mmm0 m000
    //wInvertMask :0000 0000 000i iiii
    INT8U wInvertMask = (1 << (OMCI_ATTR_MAX_NUM-ucAttrNum)) - 1;
    return (0 != (wMeMask & wInvertMask));
}
封装后的函数名恰当地起到“自描述”的作用。
3.3 在线调测工程
该产品作为嵌入式终端，需要在Linux系统中编译打包版本，然后将其下载到目标单板上运行。这种交叉编译方式对于单个模块的调试而言，效率无疑比较低下。
为提高调测效率，在Linux服务器搭建在线调测工程。即提取OMCI模块代码，稍作改造后直接在服务器上编译和运行。这样就可避免每次修改代码都要重启单板升级大版本，调测效率极高。
为使模块可独立运行，需要编写模拟接口以屏蔽底层调用，并裁减暂不必要的特性(如线程和通信)等。
3.4 模拟数据库
OMCI模块使用某内存数据库来管理需要持久化的实体信息，但该数据库代码内调用了大量平台相关的接口，不利于实现模块的在线调测。因此，作者研读源代码后编写了一个模拟数据库。该库仿照模块使用的几个原库接口及行为，模拟接口内部校验均增加错误信息打印，以便于排障。
此外，在数据库接口原语的基础上二次封装统一接口，一举消除模块内数据库操作代码的凌乱和重复。
3.5 自动化测试
没有测试保护网的重构，无异于没有血源的外科手术。
首先，公共接口和函数均提供有相应的测试函数，兼做示例和用例。如：
//Start of ByteArray2StrSeqTest//
VOID ByteArray2StrSeqTest(VOID)
{
    //ByteArray2StrSeq函数算法不甚优美和严谨，应多加测试验证，如有可能尽量优化。
    INT8U ucTestIndex = 1;
    INT8U pucByteArray[] = {0xD7, 0x8F, 0xF5, 0x73, 0xB7, 0xF0, 0x00, 0xE8, 0x2C, 0x3B};
    CHAR pStrSeq[50] = {0};

    //Time Consumed(x86_gcc3.2.3_glibc2.2.5): 72us
    memset(pStrSeq, 0, sizeof(pStrSeq));
    ByteArray2StrSeq(pucByteArray, 4, 1, pStrSeq);
    printf("[%s] Result: %s, pStrSeq = %s!\n", __FUNCTION__, ucTestIndex++,
           strcmp(pStrSeq, "1-2,4,6-9,13-20,22,24,26-28,31-32") ? "ERROR" : "OK", pStrSeq);

    //Time Consumed(x86_gcc3.2.3_glibc2.2.5): 7us
    memset(pStrSeq, 0, sizeof(pStrSeq));
    ByteArray2StrSeq(pucByteArray, 4, 0, pStrSeq);
    printf("[%s] Result: %s, pStrSeq = %s!!!\n", __FUNCTION__, ucTestIndex++,
           strcmp(pStrSeq, "0-1,3,5-8,12-19,21,23,25-27,30-31") ? "ERROR" : "OK", pStrSeq);

    //Time Consumed(x86_gcc3.2.3_glibc2.2.5): 4us
    memset(pStrSeq, 0, sizeof(pStrSeq));
    ByteArray2StrSeq(&pucByteArray[4], 2, 1, pStrSeq);
    printf("[%s] Result: %s, pStrSeq = %s!\n", __FUNCTION__, ucTestIndex++,
           strcmp(pStrSeq, "1,3-4,6-12") ? "ERROR" : "OK", pStrSeq);

    //Time Consumed(x86_gcc3.2.3_glibc2.2.5): 4us
    memset(pStrSeq, 0, sizeof(pStrSeq));
    ByteArray2StrSeq(&pucByteArray[6], 2, 1, pStrSeq);
    printf("[%s] Result: %s, pStrSeq = %s!\n", __FUNCTION__, ucTestIndex++,
           strcmp(pStrSeq, "9-11,13") ? "ERROR" : "OK", pStrSeq);

    //Time Consumed(x86_gcc3.2.3_glibc2.2.5): 5us
    memset(pStrSeq, 0, sizeof(pStrSeq));
    ByteArray2StrSeq(&pucByteArray[8], 2, 1, pStrSeq);
    printf("[%s] Result: %s, pStrSeq = %s!\n", __FUNCTION__, ucTestIndex++,
           strcmp(pStrSeq, "3,5-6,11-13,15-16") ? "ERROR" : "OK", pStrSeq);
}
//End of ByteArray2StrSeqTest//
此外，模块内还增加自动化测试功能(TestSuite)，可用来验证批量或单个实体的配置和查询操作。批量测试结果统计如下(省略各实体的具体测试结果)：
在上述测试结果中，Failed TestCase(s)最为关键，表示失败的用例数目。此外，UnCompared TestCase(s)表示未做比较的条目数，如获取时间等易变属性的实体，无法预置恰当的期望结果，因此未做比较。测试过程中的打印信息可保存为日志文件，然后在打印日志中搜索Failure关键字，即可获知哪些配置失败。
当大量修改当前代码时，借助上述自动化测试功能，可迅速获知修改结果的影响。在开发新功能时，可先设计好测试用例和期望结果，然后按照“测试驱动开发”的模式来编码，提高编码效率和正确率。
3.6 直捣核心
传统的重构步骤是先容易后困难，先外围后核心。而作者反其道而行之，首先重构核心公共的代码。这样做的好处是：
1) 便于梳理头文件包含关系
在线调测工程中最初只保留最为公共的代码文件(如日志功能)，重构并调测通过后再逐步添加其他单一功能的目标代码。该过程中会按需拆分和/或组合文件，减少头文件的嵌套和交叉引用。
2) 避免重复工作甚至返工
公共代码重构后并封装后，对较外围的应用代码重构时会更容易消除冗余。若先重构好外围代码，很可能发现某些逻辑可以统一到公共代码内，从而导致大面积返工；而若先着手重构公共代码，则通过研读外围代码对其的使用方式，很容易及早甄别这些冗余性。
3) 迭代验证
在重构后的公共代码基础上逐步叠加外围代码时，也在反复测试公共代码的正确性和易用性。
4) 增强信心
先核心后外围、逐步叠加验证的过程可控，可增强大规模重构时的信心，缓解压力。反之，若先重构好外围代码，等触及核心时牵一发而动全身，压力极大。
四 效果
在某产品代码基础上，进行OMCI模块DB/LOG/实体存取/消息处理/性能统计等重构。经过三个多月的重构后，模块代码复杂度大幅下降(某核心源文件平均复杂度降为原先1/4)，代码显著精简(据不完全统计已精简万余行)，同时更具可读性。新增代码的过程中，编写大量工具类宏和函数，并增加OMCI自动化测试、内存检测等实用功能。
通过LineCount和Source Monitor度量某功能代码重构效果，如下表所示：
此外，重构过程中积累的通用框架、代码及经验，可进一步应用到新的项目中。

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