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C 语言实现面向对象编程
1、引言
面向对象编程（OOP）并不是一种特定的语言或者工具，它只是一种设计方法、设计思想。它表现出来的三个最基本的特性就是封装、继承与多态。很多面向对象的编程语言已经包含这三个特性了，例如 Smalltalk、C++、Java。但是你也可以用几乎所有的编程语言来实现面向对象编程，例如 ANSI-C。要记住，面向对象是一种思想，一种方法，不要太拘泥于编程语言。
2、封装
封装就是把数据和方法打包到一个类里面。其实C语言编程者应该都已经接触过了，C 标准库
中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函数的操作对象就是 FILE。数据内容就是 FILE，数据的读写操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 类比于构造函数，fclose() 就是析构函数。这个看起来似乎很好理解，那下面我们实现一下基本的封装特性。
#ifndef SHAPE_H #define SHAPE_H #include// Shape 的属性 typedef struct { int16_t x; int16_t y; } Shape; // Shape 的操作函数，接口函数 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 */
这是 Shape 类的声明，非常简单，很好理解。一般会把声明放到头文件里面 “Shape.h”。
来看下 Shape 类相关的定义，当然是在 “Shape.c” 里面。
#include "shape.h"
// 构造函数
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;
}
// 获取属性值函数
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
1 #include "shape.h" /* Shape class interface */ 2 #include/* for printf() */ 3 4 int main() 5 { 6 Shape s1, s2; /* multiple instances of Shape */ 7 8 Shape_ctor(&s1, 0, 1); 9 Shape_ctor(&s2, -1, 2); 10 11 printf("Shape s1(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1)); 12 printf("Shape s2(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2)); 13 14 Shape_moveBy(&s1, 2, -4); 15 Shape_moveBy(&s2, 1, -2); 16 17 printf("Shape s1(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1)); 18 printf("Shape s2(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2)); 19 20 return 0; 21 }
编译之后，看看执行结果：
Shape s1(x=0,y=1)
Shape s2(x=-1,y=2)
Shape s1(x=2,y=-3)
Shape s2(x=0,y=0)
整个例子，非常简单，非常好理解。以后写代码时候，要多去想想标准库的文件IO操作，这样也有意识的去培养面向对象编程的思维。
3、继承
继承就是基于现有的一个类去定义一个新类，这样有助于重用代码，更好的组织代码。在 C 语言里面，去实现单继承也非常简单，只要把基类放到继承类的第一个数据成员的位置就行了。
例如，我们现在要创建一个 Rectangle 类，我们只要继承 Shape 类已经存在的属性和操作，再添加不同于 Shape 的属性和操作到 Rectangle 中。
下面是 Rectangle 的声明与定义：
1 #ifndef RECT_H 2 #define RECT_H 3 4 #include "shape.h" // 基类接口 5 6 // 矩形的属性 7 typedef struct { 8 Shape super; // 继承 Shape 9 10 // 自己的属性 11 uint16_t width; 12 uint16_t height; 13 } Rectangle; 14 15 // 构造函数 16 void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y, 17 uint16_t width, uint16_t height); 18 19 #endif /* RECT_H */
#include "rect.h" // 构造函数 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; }
我们来看一下 Rectangle 的继承关系和内存布局
因为有这样的内存布局，所以你可以很安全的传一个指向 Rectangle 对象的指针到一个期望传入 Shape 对象的指针的函数中，就是一个函数的参数是 “Shape *”，你可以传入 “Rectangle *”，并且这是非常安全的。这样的话，基类的所有属性和方法都可以被继承类继承！
1 #include "rect.h" 2 #include3 4 int main() 5 { 6 Rectangle r1, r2; 7 8 // 实例化对象 9 Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15); 10 Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8); 11 12 printf("Rect r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n", 13 Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super), 14 r1.width, r1.height); 15 printf("Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n", 16 Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super), 17 r2.width, r2.height); 18 19 // 注意，这里有两种方式，一是强转类型，二是直接使用成员地址 20 Shape_moveBy((Shape *)&r1, -2, 3); 21 Shape_moveBy(&r2.super, 2, -1); 22 23 printf("Rect r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n", 24 Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super), 25 r1.width, r1.height); 26 printf("Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n", 27 Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super), 28 r2.width, r2.height); 29 30 return 0; 31 }
输出结果：
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)
4、多态
C++ 语言实现多态就是使用虚函数。在 C 语言里面，也可以实现多态。
现在，我们又要增加一个圆形，并且在 Shape 要扩展功能，我们要增加 area() 和 draw() 函数。但是 Shape 相当于抽象类，不知道怎么去计算自己的面积，更不知道怎么去画出来自己。而且，矩形和圆形的面积计算方式和几何图像也是不一样的。
下面让我们重新声明一下 Shape 类
1 #ifndef SHAPE_H 2 #define SHAPE_H 3 4 #include5 6 struct ShapeVtbl; 7 // Shape 的属性 8 typedef struct { 9 struct ShapeVtbl const *vptr; 10 int16_t x; 11 int16_t y; 12 } Shape; 13 14 // Shape 的虚表 15 struct ShapeVtbl { 16 uint32_t (*area)(Shape const * const me); 17 void (*draw)(Shape const * const me); 18 }; 19 20 // Shape 的操作函数，接口函数 21 void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y); 22 void Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy); 23 int16_t Shape_getX(Shape const * const me); 24 int16_t Shape_getY(Shape const * const me); 25 26 static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) 27 { 28 return (*me->vptr->area)(me); 29 } 30 31 static inline void Shape_draw(Shape const * const me) 32 { 33 (*me->vptr->draw)(me); 34 } 35 36 37 Shape const *largestShape(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes); 38 void drawAllShapes(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes); 39 40 #endif /* SHAPE_H */
看下加上虚函数之后的类关系图
4.1 虚表和虚指针
虚表（Virtual Table）是这个类所有虚函数的函数指针的集合。
虚指针（Virtual Pointer）是一个指向虚表的指针。这个虚指针必须存在于每个对象实例中，会被所有子类继承。
在《Inside The C++ Object Model》的第一章内容中，有这些介绍。
4.2 在构造函数中设置vptr
在每一个对象实例中，vptr 必须被初始化指向其 vtbl。最好的初始化位置就是在类的构造函数中。事实上，在构造函数中，C++ 编译器隐式的创建了一个初始化的vptr。在 C 语言里面， 我们必须显示的初始化vptr。
1 下面就展示一下，在 Shape 的构造函数里面，如何去初始化这个 vptr。 2 3 #include "shape.h" 4 #include5 6 // Shape 的虚函数 7 static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me); 8 static void Shape_draw_(Shape const * const me); 9 10 // 构造函数 11 void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y) 12 { 13 // Shape 类的虚表 14 static struct ShapeVtbl const vtbl = 15 { 16 &Shape_area_, 17 &Shape_draw_ 18 }; 19 me->vptr = &vtbl; 20 me->x = x; 21 me->y = y; 22 } 23 24 25 void Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy) 26 { 27 me->x += dx; 28 me->y += dy; 29 } 30 31 32 int16_t Shape_getX(Shape const * const me) 33 { 34 return me->x; 35 } 36 int16_t Shape_getY(Shape const * const me) 37 { 38 return me->y; 39 } 40 41 // Shape 类的虚函数实现 42 static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me) 43 { 44 assert(0); // 类似纯虚函数 45 return 0U; // 避免警告 46 } 47 48 static void Shape_draw_(Shape const * const me) 49 { 50 assert(0); // 纯虚函数不能被调用 51 } 52 53 54 Shape const *largestShape(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes) 55 { 56 Shape const *s = (Shape *)0; 57 uint32_t max = 0U; 58 uint32_t i; 59 for (i = 0U; i < nShapes; ++i) 60 { 61 uint32_t area = Shape_area(shapes[i]);// 虚函数调用 62 if (area > max) 63 { 64 max = area; 65 s = shapes[i]; 66 } 67 } 68 return s; 69 } 70 71 72 void drawAllShapes(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes) 73 { 74 uint32_t i; 75 for (i = 0U; i < nShapes; ++i) 76 { 77 Shape_draw(shapes[i]); // 虚函数调用 78 } 79 }
注释比较清晰，这里不再多做解释。
4.3 继承 vtbl 和 重载 vptr
上面已经提到过，基类包含 vptr，子类会自动继承。但是，vptr 需要被子类的虚表重新赋值。并且，这也必须发生在子类的构造函数中。下面是 Rectangle 的构造函数。
1 #include "rect.h" 2 #include3 4 // Rectangle 虚函数 5 static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me); 6 static void Rectangle_draw_(Shape const * const me); 7 8 // 构造函数 9 void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y, 10 uint16_t width, uint16_t height) 11 { 12 static struct ShapeVtbl const vtbl = 13 { 14 &Rectangle_area_, 15 &Rectangle_draw_ 16 }; 17 Shape_ctor(&me->super, x, y); // 调用基类的构造函数 18 me->super.vptr = &vtbl; // 重载 vptr 19 me->width = width; 20 me->height = height; 21 } 22 23 // Rectangle's 虚函数实现 24 static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me) 25 { 26 Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //显示的转换 27 return (uint32_t)me_->width * (uint32_t)me_->height; 28 } 29 30 static void Rectangle_draw_(Shape const * const me) 31 { 32 Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //显示的转换 33 printf("Rectangle_draw_(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n", 34 Shape_getX(me), Shape_getY(me), me_->width, me_->height); 35 }
4.4 虚函数调用
有了前面虚表（Virtual Tables）和虚指针（Virtual Pointers）的基础实现，虚拟调用（后期绑定）就可以用下面代码实现了。
1 uint32_t Shape_area(Shape const * const me) 2 { 3 return (*me->vptr->area)(me); 4 }
这个函数可以放到.c文件里面，但是会带来一个缺点就是每个虚拟调用都有额外的调用开销。为了避免这个缺点，如果编译器支持内联函数（C99）。我们可以把定义放到头文件里面，类似下面：
1 static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) 2 { 3 return (*me->vptr->area)(me); 4 }
如果是老一点的编译器（C89），我们可以用宏函数来实现，类似下面这样：
1 #define Shape_area(me_) ((*(me_)->vptr->area)((me_)))
1
看一下例子中的调用机制：
4.5 main.c
1 #include "rect.h" 2 #include "circle.h" 3 #include4 5 int main() 6 { 7 Rectangle r1, r2; 8 Circle c1, c2; 9 Shape const *shapes[] = 10 { 11 &c1.super, 12 &r2.super, 13 &c2.super, 14 &r1.super 15 }; 16 Shape const *s; 17 18 // 实例化矩形对象 19 Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15); 20 Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8); 21 22 // 实例化圆形对象 23 Circle_ctor(&c1, 1, -2, 12); 24 Circle_ctor(&c2, 1, -3, 6); 25 26 s = largestShape(shapes, sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0])); 27 printf("largetsShape s(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(s), Shape_getY(s)); 28 29 drawAllShapes(shapes, sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0])); 30 31 return 0; 32 }
输出结果：
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)
5、总结
还是那句话，面向对象编程是一种方法，并不局限于某一种编程语言。用 C 语言实现封装、单继承，理解和实现起来比较简单，多态反而会稍微复杂一点，如果打算广泛的使用多态，还是推荐转到 C++ 语言上，毕竟这层复杂性被这个语言给封装了，你只需要简单的使用就行了。但并不代表，C 语言实现不了多态这个特性。