C語言實現(xiàn)面向?qū)ο笕筇匦?: 封裝、繼承、多態(tài)

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(yīng)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(jié)論：C語言是面向過程的語言，C++是面向?qū)ο?/strong>的編程語言，但面向?qū)ο蟮母拍钍窃贑語言階段就有了，而且應(yīng)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。

C語言這種非面向?qū)ο蟮恼Z言，同樣也可以使用面向?qū)ο蟮乃悸穪砭帉懗绦虻摹?strong>只是用面向?qū)ο蟮?strong>C++語言來實現(xiàn)面向?qū)ο缶幊虝唵我恍?，但是C語言的高效性是其他面向?qū)ο缶幊陶Z言無法比擬的。

當(dāng)然使用C語言來實現(xiàn)面向?qū)ο蟮拈_發(fā)相對不容易理解，這就是為什么大多數(shù)人學(xué)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(yīng)該能明白：面向過程的C語言和面向?qū)ο蟮腃++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?qū)ο缶幊叹惋@得尤為重要。

2、所具備的條件

要想使用C語言實現(xiàn)面向?qū)ο?，首先需要具備一些基礎(chǔ)知識。比如：（C語言中的）結(jié)構(gòu)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(chǔ)知識，而是有一定的編程經(jīng)驗，因為上面說了“面向?qū)ο笫且环N設(shè)計方法、設(shè)計思想”，如果只是停留在字面意思的理解，沒有這種設(shè)計思想肯定不行。

因此，不建議初學(xué)者使用C語言實現(xiàn)面向?qū)ο?，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?qū)ο蟮姆椒ê芏?，下面就來描述最基本的封裝、繼承和多態(tài)。

3、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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)造函數(shù)，fclose() 就是析構(gòu)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。

#ifndefSHAPE_H
#defineSHAPE_H
#include
//Shape的屬性
typedefstruct{
int16_tx;
int16_ty;
}Shape;
//Shape的操作函數(shù)，接口函數(shù)
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty);
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy);
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme);
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme);
#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(guān)的定義，當(dāng)然是在 “Shape.c” 里面。

#include"shape.h"
//構(gòu)造函數(shù)
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty)
{
me->x=x;
me->y=y;
}
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy)
{
me->x+=dx;
me->y+=dy;
}
//獲取屬性值函數(shù)
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme)
{
returnme->x;
}
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme)
{
returnme->y;
}

#include"shape.h"/*Shapeclassinterface*/
#include/*forprintf()*/
intmain()
{
Shapes1,s2;/*multipleinstancesofShape*/
Shape_ctor(&s1,0,1);
Shape_ctor(&s2,-1,2);
printf("Shapes1(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s1),Shape_getY(&s1));
printf("Shapes2(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s2),Shape_getY(&s2));
Shape_moveBy(&s1,2,-4);
Shape_moveBy(&s2,1,-2);
printf("Shapes1(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s1),Shape_getY(&s1));
printf("Shapes2(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s2),Shape_getY(&s2));
return0;
}

編譯之后，看看執(zhí)行結(jié)果：

Shapes1(x=0,y=1)
Shapes2(x=-1,y=2)
Shapes1(x=2,y=-3)
Shapes2(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(biāo)準(zhǔn)庫的文件IO操作，這樣也有意識的去培養(yǎng)面向?qū)ο缶幊痰乃季S。

4、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：

#ifndefRECT_H
#defineRECT_H
#include"shape.h"http://基類接口
//矩形的屬性
typedefstruct{
Shapesuper;//繼承Shape
//自己的屬性
uint16_twidth;
uint16_theight;
}Rectangle;
//構(gòu)造函數(shù)
voidRectangle_ctor(Rectangle*constme,int16_tx,int16_ty,
uint16_twidth,uint16_theight);
#endif/*RECT_H*/

#include"rect.h"
//構(gòu)造函數(shù)
voidRectangle_ctor(Rectangle*constme,int16_tx,int16_ty,
uint16_twidth,uint16_theight)
{
/*firstcallsuperclass’ctor*/
Shape_ctor(&me->super,x,y);
/*next,youinitializetheattributesaddedbythissubclass...*/
me->width=width;
me->height=height;
}

我們來看一下 Rectangle 的繼承關(guān)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
intmain()
{
Rectangler1,r2;
//實例化對象
Rectangle_ctor(&r1,0,2,10,15);
Rectangle_ctor(&r2,-1,3,5,8);
printf("Rectr1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r1.super),Shape_getY(&r1.super),
r1.width,r1.height);
printf("Rectr2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
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(zhuǎn)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("Rectr1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r1.super),Shape_getY(&r1.super),
r1.width,r1.height);
printf("Rectr2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r2.super),Shape_getY(&r2.super),
r2.width,r2.height);
return0;
}

Rectr1(x=0,y=2,width=10,height=15)
Rectr2(x=-1,y=3,width=5,height=8)
Rectr1(x=-2,y=5,width=10,height=15)
Rectr2(x=1,y=2,width=5,height=8)

5、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(dāng)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：

#ifndefSHAPE_H
#defineSHAPE_H
#include
structShapeVtbl;
//Shape的屬性
typedefstruct{
structShapeVtblconst*vptr;
int16_tx;
int16_ty;
}Shape;
//Shape的虛表
structShapeVtbl{
uint32_t(*area)(Shapeconst*constme);
void(*draw)(Shapeconst*constme);
};
//Shape的操作函數(shù)，接口函數(shù)
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty);
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy);
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme);
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme);
staticinlineuint32_tShape_area(Shapeconst*constme)
{
return(*me->vptr->area)(me);
}
staticinlinevoidShape_draw(Shapeconst*constme)
{
(*me->vptr->draw)(me);
}
Shapeconst*largestShape(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes);
voiddrawAllShapes(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes);
#endif/*SHAPE_H*/

看下加上虛函數(shù)之后的類關(guān)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(gòu)造函數(shù)中設(shè)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(gòu)造函數(shù)中。事實上，在構(gòu)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(gòu)造函數(shù)里面，如何去初始化這個 vptr。

#include"shape.h"
#include
//Shape的虛函數(shù)
staticuint32_tShape_area_(Shapeconst*constme);
staticvoidShape_draw_(Shapeconst*constme);
//構(gòu)造函數(shù)
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty)
{
//Shape類的虛表
staticstructShapeVtblconstvtbl=
{
&Shape_area_,
&Shape_draw_
};
me->vptr=&vtbl;
me->x=x;
me->y=y;
}
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy)
{
me->x+=dx;
me->y+=dy;
}
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme)
{
returnme->x;
}
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme)
{
returnme->y;
}
//Shape類的虛函數(shù)實現(xiàn)
staticuint32_tShape_area_(Shapeconst*constme)
{
assert(0);//類似純虛函數(shù)
return0U;//避免警告
}
staticvoidShape_draw_(Shapeconst*constme)
{
assert(0);//純虛函數(shù)不能被調(diào)用
}
Shapeconst*largestShape(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes)
{
Shapeconst*s=(Shape*)0;
uint32_tmax=0U;
uint32_ti;
for(i=0U;imax)
{
max=area;
s=shapes[i];
}
}
returns;
}
voiddrawAllShapes(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes)
{
uint32_ti;
for(i=0U;i


	

	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(gòu)造函數(shù)中。下面是 Rectangle 的構(gòu)造函數(shù)。

	
#include"rect.h"
#include
//Rectangle虛函數(shù)
staticuint32_tRectangle_area_(Shapeconst*constme);
staticvoidRectangle_draw_(Shapeconst*constme);
//構(gòu)造函數(shù)
voidRectangle_ctor(Rectangle*constme,int16_tx,int16_ty,
uint16_twidth,uint16_theight)
{
staticstructShapeVtblconstvtbl=
{
&Rectangle_area_,
&Rectangle_draw_
};
Shape_ctor(&me->super,x,y);//調(diào)用基類的構(gòu)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)
staticuint32_tRectangle_area_(Shapeconst*constme)
{
Rectangleconst*constme_=(Rectangleconst*)me;//顯示的轉(zhuǎn)換
return(uint32_t)me_->width*(uint32_t)me_->height;
}
staticvoidRectangle_draw_(Shapeconst*constme)
{
Rectangleconst*constme_=(Rectangleconst*)me;//顯示的轉(zhuǎn)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(shù)調(diào)用

	有了前面虛表（Virtual Tables）和虛指針（Virtual Pointers）的基礎(chǔ)實現(xiàn)，虛擬調(diào)用（后期綁定）就可以用下面代碼實現(xiàn)了。

	
uint32_tShape_area(Shapeconst*constme)
{
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(diào)用都有額外的調(diào)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：

	
staticinlineuint32_tShape_area(Shapeconst*constme)
{
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：

	
#defineShape_area(me_)((*(me_)->vptr->area)((me_)))


	

	看一下例子中的調(diào)用機制：

	  ? 5.5 main.c
#include"rect.h"
#include"circle.h"
#include
intmain()
{
Rectangler1,r2;
Circlec1,c2;
Shapeconst*shapes[]=
{
&c1.super,
&r2.super,
&c2.super,
&r1.super
};
Shapeconst*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("largetsShapes(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(s),Shape_getY(s));
drawAllShapes(shapes,sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));
return0;
}

	

	輸出結(jié)果：

	
largetsShapes(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)

	

	6、總結(jié) 

	還是那句話，面向?qū)ο缶幊淌且环N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(fù)雜一點，如果打算廣泛的使用多態(tài)，還是推薦轉(zhuǎn)到 C++ 語言上，畢竟這層復(fù)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。  文章來源：直接來源，嵌入式情報局

	

	-- End--

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	審核編輯黃宇