使C語言實現面向對象的三個要素，你掌握了嗎？

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不知道有多少人去了解過語言的發展史，早期C語言的語法功能其實比較簡單。隨着應用需求和場景的變化，C語言的語法功能在不斷升級變化。

 

雖然咱們的教材有這麼一個結論：C語言是面向過程的語言，C++是面向對象的編程語言，但面向對象的概念是在C語言階段就有了，並且應用到了不少地方，好比某些操做系統內核、通訊協議等。

 

面向對象編程，也就是你們說的OOP（Object Oriented Programming）並非一種特定的語言或者工具，它只是一種設計方法、設計思想，它表現出來的三個最基本的特性就是封裝、繼承與多態。

 

爲何要用C語言實現面向對象

 

閱讀文本以前確定有讀者會問這樣的問題：咱們有C++面向對象的語言，爲何還要用C語言實現面向對象呢？

 

C語言這種非面向對象的語言，一樣也可使用面向對象的思路來編寫程序的。只是用面向對象的C++語言來實現面向對象編程會更簡單一些，可是C語言的高效性是其餘面向對象編程語言沒法比擬的。

 

固然使用C語言來實現面向對象的開發相對不容易理解，這就是爲何大多數人學過C語言卻看不懂Linux內核源碼。

 

因此這個問題其實很好理解，只要有必定C語言編程經驗的讀者都應該能明白：面向過程的C語言和麪向對象的C++語言相比，代碼運行效率、代碼量都有很大差別。在性能不是很好、資源不是不少的MCU中使用C語言面向對象編程就顯得尤其重要。

 

具有條件

 

要想使用C語言實現面向對象，首先須要具有一些基礎知識。好比：（C語言中的）結構體、函數、指針，以及函數指針等，（C++中的）基類、派生、多態、繼承等。

 

首先，不只僅是瞭解這些基礎知識，而是有必定的編程經驗，由於上面說了「面向對象是一種設計方法、設計思想」，若是隻是停留在字面意思的理解，沒有這種設計思想確定不行。

 

所以，不建議初學者使用C語言實現面向對象，特別是在真正項目中。建議把基本功練好，再使用。

 

利用C語言實現面向對象的方法不少，下面就來描述最基本的封裝、繼承和多態。

 

C/C++的學習裙【七一二 二八四 七零五 】，不管你是小白仍是進階者，是想轉行仍是想入行均可以來了解一塊兒進步一塊兒學習！裙內有開發工具，不少乾貨和技術資料分享！

 

封裝

 

封裝就是把數據和函數打包到一個類裏面，其實大部分C語言編程者都已經接觸過了。

 

C 標準庫中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函數的操做對象就是 FILE。數據內容就是 FILE，數據的讀寫操做就是 fread()、fwrite()，fopen() 類比於構造函數，fclose() 就是析構函數。

 

這個看起來彷佛很好理解，那下面咱們實現一下基本的封裝特性。

#ifndef SHAPE_H
#define SHAPE_H

#include <stdint.h>

// Shape 的屬性
typedef struct {
    int16_t x; 
    int16_t y; 
} Shape;

// Shape 的操做函數，接口函數
void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y);
void Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy);
int16_t Shape_getX(Shape const * const me);
int16_t Shape_getY(Shape const * const me);

#endif /* SHAPE_H */

 

這是 Shape 類的聲明，很是簡單，很好理解。通常會把聲明放到頭文件裏面 「Shape.h」。來看下 Shape 類相關的定義，固然是在 「Shape.c」 裏面。

#include "shape.h"

// 構造函數
void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y)
{
    me->x = x;
    me->y = y;
}

void Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy) 
{
    me->x += dx;
    me->y += dy;
}

// 獲取屬性值函數
int16_t Shape_getX(Shape const * const me) 
{
    return me->x;
}
int16_t Shape_getY(Shape const * const me) 
{
    return me->y;
}

 

再看下 main.c

#include "shape.h"  /* Shape class interface */
#include <stdio.h>  /* for printf() */

int main() 
{
    Shape s1, s2; /* multiple instances of Shape */

    Shape_ctor(&s1, 0, 1);
    Shape_ctor(&s2, -1, 2);

    printf("Shape s1(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1));
    printf("Shape s2(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2));

    Shape_moveBy(&s1, 2, -4);
    Shape_moveBy(&s2, 1, -2);

    printf("Shape s1(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1));
    printf("Shape s2(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2));

    return 0;
}

 

編譯以後，看看執行結果：

Shape s1(x=0,y=1)
Shape s2(x=-1,y=2)
Shape s1(x=2,y=-3)
Shape s2(x=0,y=0)

 

整個例子，很是簡單，很是好理解。之後寫代碼時候，要多去想一想標準庫的文件IO操做，這樣也有意識地去培養面向對象編程的思惟。

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繼承

 

繼承就是基於現有的一個類去定義一個新類，這樣有助於重用代碼，更好的組織代碼。在 C 語言裏面，去實現單繼承也很是簡單，只要把基類放到繼承類的第一個數據成員的位置就好了。

 

例如，咱們如今要建立一個 Rectangle 類，咱們只要繼承 Shape 類已經存在的屬性和操做，再添加不一樣於 Shape 的屬性和操做到 Rectangle 中。

 

下面是 Rectangle 的聲明與定義：

#ifndef RECT_H
#define RECT_H

#include "shape.h" // 基類接口

// 矩形的屬性
typedef struct {
    Shape super; // 繼承 Shape

    // 本身的屬性
    uint16_t width;
    uint16_t height;
} Rectangle;

// 構造函數
void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y,
                    uint16_t width, uint16_t height);

#endif /* RECT_H */

#include "rect.h"

// 構造函數
void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y,
                    uint16_t width, uint16_t height)
{
    /* first call superclass’ ctor */
    Shape_ctor(&me->super, x, y);

    /* next, you initialize the attributes added by this subclass... */
    me->width = width;
    me->height = height;
}

 

咱們來看一下 Rectangle 的繼承關係和內存佈局：

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由於有這樣的內存佈局，因此你能夠很安全的傳一個指向 Rectangle 對象的指針到一個指望傳入 Shape 對象的指針的函數中，就是一個函數的參數是 「Shape *」，你能夠傳入 「Rectangle *」，而且這是很是安全的。這樣的話，基類的全部屬性和方法均可以被繼承類繼承！

#include "rect.h"  
#include <stdio.h> 

int main() 
{
    Rectangle r1, r2;

    // 實例化對象
    Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15);
    Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);

    printf("Rect r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
           Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super),
           r1.width, r1.height);
    printf("Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
           Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super),
           r2.width, r2.height);

    // 注意，這裏有兩種方式，一是強轉類型，二是直接使用成員地址
    Shape_moveBy((Shape *)&r1, -2, 3);
    Shape_moveBy(&r2.super, 2, -1);

    printf("Rect r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
           Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super),
           r1.width, r1.height);
    printf("Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
           Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super),
           r2.width, r2.height);

    return 0;
}

 

輸出結果：

Rect r1(x=0,y=2,width=10,height=15)
Rect r2(x=-1,y=3,width=5,height=8)
Rect r1(x=-2,y=5,width=10,height=15)
Rect r2(x=1,y=2,width=5,height=8)

 

多態

 

C++ 語言實現多態就是使用虛函數。在 C 語言裏面，也能夠實現多態。

 

如今，咱們又要增長一個圓形，而且在 Shape 要擴展功能，咱們要增長 area() 和 draw() 函數。可是 Shape 至關於抽象類，不知道怎麼去計算本身的面積，更不知道怎麼去畫出來本身。並且，矩形和圓形的面積計算方式和幾何圖像也是不同的。

 

下面讓咱們從新聲明一下 Shape 類：

#ifndef SHAPE_H
#define SHAPE_H

#include <stdint.h>

struct ShapeVtbl;
// Shape 的屬性
typedef struct {
    struct ShapeVtbl const *vptr;
    int16_t x; 
    int16_t y; 
} Shape;

// Shape 的虛表
struct ShapeVtbl {
    uint32_t (*area)(Shape const * const me);
    void (*draw)(Shape const * const me);
};

// Shape 的操做函數，接口函數
void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y);
void Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy);
int16_t Shape_getX(Shape const * const me);
int16_t Shape_getY(Shape const * const me);

static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) 
{
    return (*me->vptr->area)(me);
}

static inline void Shape_draw(Shape const * const me)
{
    (*me->vptr->draw)(me);
}


Shape const *largestShape(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes);
void drawAllShapes(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes);

#endif /* SHAPE_H */

 

看下加上虛函數以後的類關係圖：

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5.1 虛表和虛指針

虛表（Virtual Table）是這個類全部虛函數的函數指針的集合。

 

虛指針（Virtual Pointer）是一個指向虛表的指針。這個虛指針必須存在於每一個對象實例中，會被全部子類繼承。

 

在《Inside The C++ Object Model》的第一章內容中，有這些介紹。

 

5.2 在構造函數中設置vptr

在每個對象實例中，vptr 必須被初始化指向其 vtbl。最好的初始化位置就是在類的構造函數中。事實上，在構造函數中，C++ 編譯器隱式地建立了一個初始化的vptr。在 C 語言裏面， 咱們必須顯示的初始化vptr。

 

下面就展現一下，在 Shape 的構造函數裏面，如何去初始化這個 vptr。

static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) {    return (*me->vptr->area)(me);}

 

5.3 繼承 vtbl 和 重載 vptr

上面已經提到過，基類包含 vptr，子類會自動繼承。可是，vptr 須要被子類的虛表從新賦值。而且，這也必須發生在子類的構造函數中。下面是 Rectangle 的構造函數。

#include "rect.h"  
#include <stdio.h> 

// Rectangle 虛函數
static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me);
static void Rectangle_draw_(Shape const * const me);

// 構造函數
void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y,
                    uint16_t width, uint16_t height)
{
    static struct ShapeVtbl const vtbl = 
    {
        &Rectangle_area_,
        &Rectangle_draw_
    };
    Shape_ctor(&me->super, x, y); // 調用基類的構造函數
    me->super.vptr = &vtbl;           // 重載 vptr
    me->width = width;
    me->height = height;
}

// Rectangle's 虛函數實現
static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me) 
{
    Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //顯示的轉換
    return (uint32_t)me_->width * (uint32_t)me_->height;
}

static void Rectangle_draw_(Shape const * const me) 
{
    Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //顯示的轉換
    printf("Rectangle_draw_(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
           Shape_getX(me), Shape_getY(me), me_->width, me_->height);
}

 

5.4 虛函數調用

有了前面虛表（Virtual Tables）和虛指針（Virtual Pointers）的基礎實現，虛擬調用（後期綁定）就能夠用下面代碼實現了。

uint32_t Shape_area(Shape const * const me)
{
    return (*me->vptr->area)(me);
}

這個函數能夠放到.c文件裏面，可是會帶來一個缺點就是每一個虛擬調用都有額外的調用開銷。爲了不這個缺點，若是編譯器支持內聯函數（C99）。咱們能夠把定義放到頭文件裏面，相似下面：

static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) 
{
    return (*me->vptr->area)(me);
}

 

若是是老一點的編譯器（C89），咱們能夠用宏函數來實現，相似下面這樣：

#define Shape_area(me_) ((*(me_)->vptr->area)((me_)))

 

看一下例子中的調用機制：

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5.5 main.c

#include "rect.h"  
#include "circle.h" 
#include <stdio.h> 

int main() 
{
    Rectangle r1, r2; 
    Circle    c1, c2; 
    Shape const *shapes[] = 
    { 
        &c1.super,
        &r2.super,
        &c2.super,
        &r1.super
    };
    Shape const *s;

    // 實例化矩形對象
    Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15);
    Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);

    // 實例化圓形對象
    Circle_ctor(&c1, 1, -2, 12);
    Circle_ctor(&c2, 1, -3, 6);

    s = largestShape(shapes, sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));
    printf("largetsShape s(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(s), Shape_getY(s));

    drawAllShapes(shapes, sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));

    return 0;
}

輸出結果：

largetsShape s(x=1,y=-2)
Circle_draw_(x=1,y=-2,rad=12)
Rectangle_draw_(x=-1,y=3,width=5,height=8)
Circle_draw_(x=1,y=-3,rad=6)
Rectangle_draw_(x=0,y=2,width=10,height=15)

 

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總結

 

仍是那句話，面向對象編程是一種方法，並不侷限於某一種編程語言。用 C 語言實現封裝、單繼承，理解和實現起來比較簡單，多態反而會稍微複雜一點，若是打算普遍的使用多態，仍是推薦轉到 C++ 語言上，畢竟這層複雜性被這個語言給封裝了，你只須要簡單的使用就好了。但並不表明，C 語言實現不了多態這個特性。