4.4 深模块

最好的模块是那些提供强大功能而又有简单接口的模块。我使用“深（deep）”一词来描述这种模块。为了直观地了解深度的概念，想象一下每个模块用一个矩形来表示，如图4.1所示。每个矩形的面积与该模块实现的功能成正比。矩形的上边代表模块的接口；这条边的长度表示接口的复杂性。最好的模块是有深度的：它们有很多功能隐藏在简单的界面后面。一个深模块是一个很好的抽象，因为只有一小部分的内部复杂性对用户来说是可见的。

图4.1: 深模块和浅模块。最好的模块是深的：它们允许通过一个简单的接口访问大量的功能。浅模块是指具有相对复杂的接口，但功能不多：它没有隐藏太多的复杂性。

模块深度是一种思考成本与收益的方式。一个模块提供的收益是它的功能。一个模块的成本（就系统的复杂性而言）是它的接口。一个模块的接口代表了该模块对系统其他部分的复杂性：接口越小、越简单，它引入的复杂性就越少。最好的模块是那些具有最大收益和最小成本的模块。接口很好，但更多或更大的接口不一定更好！

Unix 操作系统及其后代（如 Linux）提供的文件 I/O 机制是深接口的一个很好的例子。 I/O 只有五个基本的系统调用，带有简单的签名：

int open(const char* path, int flags, mode_t permissions); 
ssize_t read(int fd, void* buffer, size_t count); 
ssize_t write(int fd, const void* buffer, size_t count); 
off_t lseek(int fd, off_t offset, int referencePosition); 
int close(int fd);

open系统调用接收一个分层的文件名，如/a/b/c，并返回一个整数的文件描述符，用来引用打开的文件。open的其他参数提供了可选的信息，如文件是为读还是为写而打开的，如果没有现有的文件，是否应该创建一个新的文件，以及如果创建一个新的文件，该文件的访问权限是怎样的。read和write系统调用在应用程序内存的缓冲区和文件之间传输信息；close则结束对文件的访问。大多数文件是按顺序访问的，所以这是默认的；然而，通过调用lseek系统调用来改变当前的访问位置，能够实现随机访问。

Unix I/O 接口的现代实现需要数十万行代码，这些代码解决了以下复杂问题：

• 为了允许高效访问，文件如何在磁盘上表示？

• 目录是如何存储的，以及如何处理分层路径名以找到它们所引用的文件？

• 如何强制执行权限，以使一个用户无法修改或删除另一个用户的文件？

• 文件访问是如何实现的？ 例如，中断处理程序和后台代码之间的功能如何划分，这两个元素如何安全通信？

• 当存在对多个文件的并发访问时，使用什么调度策略？

• 如何将最近访问的文件数据缓存在内存中，以减少磁盘访问的次数？

• 如何将各种不同的辅助存储设备（例如磁盘和闪存驱动器）合并到一个文件系统中？

所有这些问题，以及更多的问题，都由Unix文件系统的实现来处理；它们对调用系统调用的程序员是不可见的。多年来，Unix I/O 接口的实现发生了翻天覆地的变化，但是五个基本的内核调用并没有改变。

另一个深模块的例子是Go或Java等语言中的垃圾收集器。这个模块完全没有接口；它在幕后无形地工作，回收未使用的内存。在一个系统中添加垃圾收集器实际上缩小了它的整体接口，因为它取消了释放对象的接口。垃圾收集器的实现是相当复杂的，但这种复杂性对使用该语言的程序员是隐藏的。

像Unix I/O和垃圾收集器这样的深模块提供了强大的抽象，因为它们易于使用，同时隐藏了重要的实现复杂性。