4.1.3 编程语言对模块化编程的支持

在 1950 年代，由于计算机内存容量很小，程序员们千方百计地想尽量减小程序的大小。 汇编语言中最早出现了子例程（subroutine）和宏（macro）的构造，其目的正是为了减小程 序大小。子例程和宏可以实现了“一次编写、多处多次使用”，从而避免了在程序中的重复 代码，缩短了代码长度。

从 1960 年代开始，高级编程语言中出现了支持模块化编程的语言构造，这种构造在不 同语言中可能有不同的名称和形式，除了上面提到的子例程之外，还有子程序（subprogram）、 过程（procedure）、函数（function）以及由过程和函数组成的模块、包（package）等构造。 以下我们用“子程序”来泛指这些模块化构造。

子程序是指程序中的一段代码，它执行特定任务，并且与同一程序中的其他部分是相对 独立的。顾名思义，子程序也是程序，也是由许多计算步骤构成的指令序列；但抽象地看， 可以将一个子程序视为一个操作或高级指令，可以作为更大的程序中的一个简单步骤来使 用。在程序的一次执行中，可以多次、多处执行子程序。子程序概念虽然仍然有避免重复代 码、减小程序大小的作用，但其更重要的目的是使程序更加模块化。

子程序构造一般涉及以下一些内容：

• 子程序的创建：定义子程序的名字和代码（程序体）。

• 子程序的调用和返回：调用就是要求执行子程序，而子程序执行完毕应当将控制返 回给调用者。

• 参数：相当于子程序所需的输入数据，一般需要预先声明参数的类型和个数，并在 调用时提供具体的参数值。

• 返回值：相当于子程序的输出数据，一般需要预先声明返回值的类型。

• 局部变量：子程序中定义的变量在子程序外部是不可见的，亦即子程序构成了一个 私有名字空间。这是子程序独立性的一种表现。

• 全局变量：子程序外部定义的变量如果被声明为全局变量，那么所有子程序都可以 共享使用、操作该变量。

有的编程语言（如 Pascal 语言）同时提供两种子程序构造：过程和函数。过程不产生 返回值，因此总体上相当于一条命令语句，只规定了要执行的操作；而函数不但要执行一些 计算，更重要的是需要将计算结果返回给调用者，因此函数在使用时相当于一个数据。

有的编程语言（如 C 语言）则不将子程序区分为过程和函数，而是统称为函数。过程 就是没有返回值的函数。不过，更现代的语言（如 Python）要求函数必须具有返回值，“过 程”其实是返回某种特殊值（如 Python 中的 None）的函数。

子程序是传统的过程式语言中的模块化构造。模块化编程方法经过多年发展，又派生出 了面向对象编程方法。在面向对象语言中，对象实际上就是模块概念的推广，传统模块之间 的调用接口相应地发展成了对象之间的消息传递接口。

一个编程语言一般只提供基本的编程构造（数据类型、语句、子程序等），用户所需的 实用功能都必须由自己编程实现。为了帮助用户进行应用开发，专业软件开发商一般会为某 种编程语言开发很多提供标准功能的子程序，用这种语言编程时可以直接调用这些标准子程 序。这些标准子程序构成了所谓的程序库，它是软件重用、共享和营销的重要形式。例如 math 和 string 就是 Python 语言的标准库。同样地，面向对象编程语言则以类库的形式 为程序员提供大量的标准功能代码。

总之，子程序是强大的模块化编程工具，通过将复杂程序分解为子程序，可以大大降低 开发复杂程序的难度，使问题变得可理解、易开发。另外，子程序的独立性还意味着可以由 团队来开发复杂程序，从而提高软件生产率。最后，由于较小的子程序更容易验证正确性， 所以模块化开发还可以保证复杂程序的质量和可靠性。