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▍作者简介

作者陈彬是一名Linux驱动开发工程师，对Linux内核、软件设计和敏捷有较浓厚的兴趣和长期实践经验。自从项目建立起代码质量规范和监控工具后，如何重构高圈复杂度的代码，特别是switch/case的圈复杂度，是同事间比较普遍的一个问题，这正是写本篇文章的起因。希望这篇文章对大家能有所启发。

C语言switch/case圈复杂度优化重构

软件重构是改善代码可读性、可扩展性、可维护性等目的的常见技术手段。圈复杂度作为一项软件质量度量指标，能从一定程度上反映这些内部质量需 求(当然并不是全部)，所以圈复杂度往往被很多项目采用作为软件质量的度量指标之一。

C语言开发的项目中，switch/case代码块是一个很容易造成圈复杂度超标的语言特性，所以本文主要介绍下降低switch代码段的重构手段(如下图)。 switch圈复杂度优化重构可分为两部分：程序块的重构和case的重构。程序块重构是对代码的局部优化，而case重构是对代码的整体设计，所涉及的重 构手段也各不相同。

▍程序块重构

程序块重构指的是每个case内的代码段重构。Martin Fowler 的《 重构——改善既有代码的设计 》( 电子版 )书中总结了80多种重构方法。书中针对 每种技术都给出了示例说明，另外这里还提供了其他语言的示例和进一步介绍。

因为存在大量示例，所以本文针对这些方法不再给出示例，有 兴趣的同学可以通过上面几种途径了解学习。

不过这些技术中有些是改善代码的可读性，有些是改善代码的可扩展性，并不是每项技术都能有效减低圈 复杂度。其中可以降低圈复杂度的方法有如下几种：

提炼函数(Extract Method)。

你有一段代码可以被组织在一起并独立出来。将这段代码放进一个独立函数中，并将函数名称解释该函数的用途。

分解条件表达式(Decompose Conditional)。你有一个复杂的条件(if-then-else)语句。从if、then、else三分段落中分别提炼出独立函数。

合并条件表达式(Consolidate Conditional Expression)。你有一系列条件测试，都得到相同结果。将这些测试合并为一个条件表达式，并将这 个条件表达式提炼成为一个独立函数。

合并重复的条件片段(Consolidate Duplicate Conditional Fragments)。在条件表达式的每个分支上有着相同的一段代码。将这段重复的代码 搬移到条件表达式之外。

移除控制标记(Remove Control Flag)。在一系列布尔表达式中，某个变量带有“控制标记”的作用。以break语句或return语句取代控制标记。

这些重构方法除了降低圈复杂度外，还有如下好处：

满足单一职责设计原则，提高代码可读性。

去除重复冗余代码。你可以删除大量相同的条件语句。

满足“Tell, Don’t Ask”原则，告诉对象需要做什么，而不是怎么做。

▍case重构

对于一个switch有几十个case的情况，其圈复杂度往往上百，程序块重构显然已不能解决其本质复杂度。

如果要降低其圈复杂度，必然需要对代码进行 重新设计。

C语言的switch/case语言特性本质是描述一种查表逻辑，其中表结构和表的控制(即查表)都通过软件来表达。

表通过代码来描述，这显然不是一种最 佳的实现方式。我们需要做的就是，避免控制中的复杂性，将精力集中在数据的组织上，以反映所模拟世界的真实结构，并将数据与控制进行分离。

表的设计由两部分组成：对象(表项)的抽象和表的构建。

对象如何抽象，对象粒度如何划分，对象间的关系如何设计？这些问题涉及抽象思维能力的 训练，而且也与具体业务逻辑强相关，不是本文重点。

读者可阅读《 计算机程序的构造和解释 》来进一步了解软件抽象等相关技术细节。

表的构建方法是本文的重点，其可分为编译期构建、链接期构建和运行时构建。3种方法各有所长和不足，可根据自身需要进行选择。

▍编译期表构建

问题背景

boot启动支持3种启动方式，每种启动方式的用户菜单流程也不尽相同。启动菜单支持输入检查、存储、菜单回退等功能。原有设计中函数设计臃肿， 菜单项通过switch/case来进行选择处理，有十几个函数圈复杂度超过40，最大的圈复杂度为147，代码维护困难。

重构方法

boot启动用户菜单本质是一个优先状态机，每个菜单项是其中一个状态。抽象菜单项对象T_PROMT，其包含提示打印、输入检查、存储、状态跳转等 成员。构建T_PROMT aPromtArray[]菜单表描述所有菜单项对象，通过MenuFsm实现状态机的控制：通过对象T_PROMT的jumpto接口实现状态的跳 转，通过check接口实现输入检查，通过setvalue接口实现存储，通过parent实现菜单回退到上级菜单(因为上级菜单是动态变化的，无法静态初始 化，所以在jumpto中进行动态赋值)。示例代码如下：

▍运行时表构建

问题背景

内核模块通过ioctl对外部提供接口，而此模块ioctl控制码有84个，原ioctl函数通过switch/case完成ioctl的分发和处理，此实现方案导致函数代码长度 达767行，圈复杂度达124，难以维护，不满足项目软件质量要求(函数圈复杂度在12以下)。

重构方法

抽象ioctl接口对象ctrl_operations并实例化；通过bsp_iocmds_init构建字典(哈希表)，实现ioctl控制码到ioctl接口的映射；在board_dev_init模块 初始化中完成哈希表的初始化；在boardctrl_do_ioctl中通过哈希查表接口bsp_dict_get获取ioctl控制码的处理接口。

示例代码

当然除了使用哈希表，也可以使用链表等数据结构来组织数据。

▍ 链接期表构建

问题背景

编译期表构建和运行时表构建2种方法，能优化设计，降低圈复杂度，但有一件事情没有做完美：新增一个表项时，必须修改公共的静态表(编译期表构 建，如需要修改aPromtArray)或注册函数(运行时表构建，如需要修改bsp_iocmds_init)，无法做到完全满足“开发封闭原则”。 链接期表构建方法则可以解决这个问题。

重构方法

通过gcc的section属性，把所有(ioctl控制码，接口)数据对(即元组)定义在同一个section数据段中。在链接阶段，链接器会构建初始化此section数据 段，话句话说，连接器帮助我们完成了这个对象数组的初始化和构建。然后利用gcc导出的__start_ctrl_op_section和__stop_ctrl_op_section符号， boardctrl_do_ioctl即可完成对section数据表的查表操作。 此项技术在u-boot、Linux kernel中大量使用。当添加一个新表项时，只需要添加一句ctrl_op_init，不需要修改任何公共代码或数据。

示例代码