為什么要用C語言實現(xiàn)面向對象呢

不知道有多少人去了解過語言的發(fā)展史，早期C語言的語法功能其實比較簡單。隨著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。

雖然我們的教材有這么一個結論：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，而且應用到了很多地方，比如某些操作系統(tǒng)內(nèi)核、通信協(xié)議等。

面向對象編程，也就是大家說的OOP（Object Oriented Programming）并不是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(xiàn)出來的三個最基本的特性就是封裝、繼承與多態(tài)。

為什么要用C語言實現(xiàn)面向對象

閱讀文本之前肯定有讀者會問這樣的問題：我們有C++面向對象的語言，為什么還要用C語言實現(xiàn)面向對象呢？

C語言這種非面向對象的語言，同樣也可以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(xiàn)面向對象編程會更簡單一些，但是C語言的高效性是其他面向對象編程語言無法比擬的。

當然使用C語言來實現(xiàn)面向對象的開發(fā)相對不容易理解，這就是為什么大多數(shù)人學過C語言卻看不懂Linux內(nèi)核源碼。

所以這個問題其實很好理解，只要有一定C語言編程經(jīng)驗的讀者都應該能明白：面向過程的C語言和面向對象的C++語言相比，代碼運行效率、代碼量都有很大差異。在性能不是很好、資源不是很多的MCU中使用C語言面向對象編程就顯得尤為重要。

具備條件

要想使用C語言實現(xiàn)面向對象，首先需要具備一些基礎知識。比如：（C語言中的）結構體、函數(shù)、指針，以及函數(shù)指針等，（C++中的）基類、派生、多態(tài)、繼承等。

首先，不僅僅是了解這些基礎知識，而是有一定的編程經(jīng)驗，因為上面說了“面向對象是一種設計方法、設計思想”，如果只是停留在字面意思的理解，沒有這種設計思想肯定不行。

因此，不建議初學者使用C語言實現(xiàn)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(xiàn)面向對象的方法很多，下面就來描述最基本的封裝、繼承和多態(tài)。

封裝

封裝就是把數(shù)據(jù)和函數(shù)打包到一個類里面，其實大部分C語言編程者都已近接觸過了。

C 標準庫中的 fopen（）， fclose（）， fread（）， fwrite（）等函數(shù)的操作對象就是 FILE。數(shù)據(jù)內(nèi)容就是 FILE，數(shù)據(jù)的讀寫操作就是 fread（）、fwrite（），fopen（） 類比于構造函數(shù)，fclose（） 就是析構函數(shù)。

這個看起來似乎很好理解，那下面我們實現(xiàn)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 的操作函數(shù)，接口函數(shù)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，非常簡單，很好理解。一般會把聲明放到頭文件里面 “Shape.h”。來看下 Shape 類相關的定義，當然是在 “Shape.c” 里面。

#include “shape.h” // 構造函數(shù)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(shù)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） ”， Shape_getX（&s1）， Shape_getY（&s1））;printf（“Shape s2（x=%d，y=%d） ”， Shape_getX（&s2）， Shape_getY（&s2））; Shape_moveBy（&s1， 2， -4）; Shape_moveBy（&s2， 1， -2）; printf（“Shape s1（x=%d，y=%d） ”， Shape_getX（&s1）， Shape_getY（&s1））;printf（“Shape s2（x=%d，y=%d） ”， Shape_getX（&s2）， Shape_getY（&s2））; return 0;} 編譯之后，看看執(zhí)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，非常簡單，非常好理解。以后寫代碼時候，要多去想想標準庫的文件IO操作，這樣也有意識的去培養(yǎng)面向對象編程的思維。

繼承

繼承就是基于現(xiàn)有的一個類去定義一個新類，這樣有助于重用代碼，更好的組織代碼。在 C 語言里面，去實現(xiàn)單繼承也非常簡單，只要把基類放到繼承類的第一個數(shù)據(jù)成員的位置就行了。

例如，我們現(xiàn)在要創(chuàng)建一個 Rectangle 類，我們只要繼承 Shape 類已經(jīng)存在的屬性和操作，再添加不同于 Shape 的屬性和操作到 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 // 自己的屬性uint16_t width;uint16_t height;} Rectangle; // 構造函數(shù)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(shù)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;}

我們來看一下 Rectangle 的繼承關系和內(nèi)存布局：

因為有這樣的內(nèi)存布局，所以你可以很安全的傳一個指向 Rectangle 對象的指針到一個期望傳入 Shape 對象的指針的函數(shù)中，就是一個函數(shù)的參數(shù)是 “Shape *”，你可以傳入 “Rectangle *”，并且這是非常安全的。這樣的話，基類的所有屬性和方法都可以被繼承類繼承！

#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） ”， Shape_getX（&r1.super）， Shape_getY（&r1.super）， r1.width， r1.height）;printf（“Rect r2（x=%d，y=%d，width=%d，height=%d） ”， Shape_getX（&r2.super）， Shape_getY（&r2.super）， r2.width， r2.height）; // 注意，這里有兩種方式，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） ”， Shape_getX（&r1.super）， Shape_getY（&r1.super）， r1.width， r1.height）;printf（“Rect r2（x=%d，y=%d，width=%d，height=%d） ”， 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(tài)

C++ 語言實現(xiàn)多態(tài)就是使用虛函數(shù)。在 C 語言里面，也可以實現(xiàn)多態(tài)。 現(xiàn)在，我們又要增加一個圓形，并且在 Shape 要擴展功能，我們要增加 area（） 和 draw（） 函數(shù)。但是 Shape 相當于抽象類，不知道怎么去計算自己的面積，更不知道怎么去畫出來自己。而且，矩形和圓形的面積計算方式和幾何圖像也是不一樣的。 下面讓我們重新聲明一下 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 的操作函數(shù)，接口函數(shù)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(shù)之后的類關系圖：

5.1 虛表和虛指針虛表（Virtual Table）是這個類所有虛函數(shù)的函數(shù)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于每個對象實例中，會被所有子類繼承。 在《Inside The C++ Object Model》的第一章內(nèi)容中，有這些介紹。 5.2 在構造函數(shù)中設置vptr在每一個對象實例中，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(shù)中。事實上，在構造函數(shù)中，C++ 編譯器隱式的創(chuàng)建了一個初始化的vptr。在 C 語言里面， 我們必須顯示的初始化vptr。 下面就展示一下，在 Shape 的構造函數(shù)里面，如何去初始化這個 vptr。

#include “shape.h”#include 《assert.h》 // Shape 的虛函數(shù)static uint32_t Shape_area_（Shape const * const me）;static void Shape_draw_（Shape const * const me）; // 構造函數(shù)void Shape_ctor（Shape * const me， int16_t x， int16_t y）{// Shape 類的虛表static struct ShapeVtbl const vtbl = { &Shape_area_， &Shape_draw_ }; me-》vptr = &vtbl; me-》x = x; me-》y = y;} void Shape_moveBy（Shape * const me， int16_t dx， int16_t dy）{ me-》x += dx; me-》y += dy;} int16_t Shape_getX（Shape const * const me） {return me-》x;}int16_t Shape_getY（Shape const * const me） {return me-》y;} // Shape 類的虛函數(shù)實現(xiàn)static uint32_t Shape_area_（Shape const * const me）{ assert（0）; // 類似純虛函數(shù)return 0U; // 避免警告} static void Shape_draw_（Shape const * const me）{ assert（0）;

// 純虛函數(shù)不能被調用} Shape const *largestShape（Shape const *shapes［］， uint32_t nShapes）{ Shape const *s = （Shape *）0;uint32_t max = 0U;uint32_t i;for （i = 0U; i 《 nShapes; ++i） {uint32_t area = Shape_area（shapes［i］）;// 虛函數(shù)調用if （area 》 max） { max = area; s = shapes［i］; } }return s;} void drawAllShapes（Shape const *shapes［］， uint32_t nShapes）{uint32_t i;for （i = 0U; i 《 nShapes; ++i） { Shape_draw（shapes［i］）; // 虛函數(shù)調用 }} 5.3 繼承 vtbl 和 重載 vptr上面已經(jīng)提到過，基類包含 vptr，子類會自動繼承。但是，vptr 需要被子類的虛表重新賦值。并且，這也必須發(fā)生在子類的構造函數(shù)中。下面是 Rectangle 的構造函數(shù)。

#include “rect.h”#include 《stdio.h》 // Rectangle 虛函數(shù)static uint32_t Rectangle_area_（Shape const * const me）;static void Rectangle_draw_（Shape const * const me）; // 構造函數(shù)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(shù) me-》super.vptr = &vtbl; // 重載 vptr me-》width = width; me-》height = height;} // Rectangle‘s 虛函數(shù)實現(xiàn)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） ”， Shape_getX（me）， Shape_getY（me）， me_-》width， me_-》height）;}

5.4 虛函數(shù)調用有了前面虛表（Virtual Tables）和虛指針（Virtual Pointers）的基礎實現(xiàn)，虛擬調用（后期綁定）就可以用下面代碼實現(xiàn)了。

uint32_t Shape_area（Shape const * const me）{return （*me-》vptr-》area）（me）;} 這個函數(shù)可以放到.c文件里面，但是會帶來一個缺點就是每個虛擬調用都有額外的調用開銷。為了避免這個缺點，如果編譯器支持內(nèi)聯(lián)函數(shù)（C99）。我們可以把定義放到頭文件里面，類似下面：

static inline uint32_t Shape_area（Shape const * const me）{return （*me-》vptr-》area）（me）;} 如果是老一點的編譯器（C89），我們可以用宏函數(shù)來實現(xiàn)，類似下面這樣：

#define Shape_area（me_） （（*（me_）-》vptr-》area）（（me_））） 看一下例子中的調用機制：

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（“l(fā)argetsShape s（x=%d，y=%d） ”， 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）

總結

還是那句話，面向對象編程是一種方法，并不局限于某一種編程語言。用 C 語言實現(xiàn)封裝、單繼承，理解和實現(xiàn)起來比較簡單，多態(tài)反而會稍微復雜一點，如果打算廣泛的使用多態(tài)，還是推薦轉到 C++ 語言上，畢竟這層復雜性被這個語言給封裝了，你只需要簡單的使用就行了。但并不代表，C 語言實現(xiàn)不了多態(tài)這個特性。

參考素材：

https://blog.csdn.net/onlyshi/article/details/81672279

編輯：jq