C语言面向对象
我们在编写程序时，通常采用以下步骤：
- 将问题的解法分解成若干步骤
- 使用函数分别实现这些步骤
- 依次调用这些函数
这种编程风格的被称作面向过程。除了面向过程之外，还有一种被称作面向对象的编程风格被广泛使用。面向对象采用基于对象的概念建立模型，对现实世界进行模拟，从而完成对问题的解决。
C语言的语法并不直接支持面向对象风格的编程。但是，我们可以通过额外的代码，让C语言实现一些面向对象特性。在这一节当中，我们将探究什么是面向对象，以及怎样用C语言来实现它。
单纯理论上的讨论可能比较难以理解，为了能够让我们的讨论能够落地到实际中，我们选取学校为场景，展开对面向对象风格编程的讨论。
一般而言面向对象风格的编程具有以下3大特性：
- 封装
- 继承
- 多态
我们将以这3个特性为线索，讨论C语言如何面向对象编程。
封装
我们来看看学校里面最重要的主体是什么？是学生。学生肯定拥有很多属性，比如学生的学号、姓名、性别、考试分数等等。自然地，我们会声明一个结构体用于表示学生。
struct student {
int id; // 学号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
int mark; // 成绩
};
学生的学号由 入学年份 、 班级 、 序号 拼接构成。
例如，某一个同学的是 2022 年入学的 123 班的 26 号学生。那么，它的学号为 202212326 。
为了方便设置学号，我们有一个 makeStudentId 函数，参数为 入学年份 、 班级 、 序号 ，它将这些数据拼接成字符串，再将字符串转换为整型数据，最后将这个整型数据作为学生的 id 并返回。
int makeStudentId(int year, int classNum, int serialNum)
{
char buffer[20];
sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);
int id = atoi(buffer);
return id;
}
sprintf和printf函数类似，printf函数会将占位符"%d%d%d"替换为其后的参数，将结果打印到控制台上。而sprintf不会将结果打印在控制台上，而是将结果存放在第一个参数buffer所指示的字符数组当中。
函数atoi能将buffer指示的字符串转换为整型并返回结果。
性别在结构体中存储为整型数值，0代表女生、1代表男生。而显示时，我们希望0显示为女，1显示为男。因此，还需要有一对用于操作性别的函数。在函数命名中，使用numGender代表使用整型表示的性别。strGender代表使用字符串表示的性别。
我们将定义两个函数：
numGenderToStrGender表示，将整型表示的性别转换为字符串表示的性别。
strGenderToNumGender表示，将字符串表示的性别转换为整型表示的性别。
const char* numGenderToStrGender(int numGender)
{
if (numGender == 0)
{
return "女";
}
else if (numGender == 1)
{
return "男";
}
return "未知";
}
int strGenderToNumGender(const char* strGender)
{
int numGender;
if (strcmp("男", strGender) == 0)
{
numGender = 1;
}
else if (strcmp("女", strGender) == 0)
{
numGender = 0;
}
else
{
numGender = -1;
}
return numGender;
}
我们将使用以下方式，调用这个结构体和这3个函数。
int main()
{
struct student stu;
// 设置数值
// 学号：202212326
// 姓名：小明
// 性别: 男
// 成绩：98
stu.id = makeStudentId(2022, 123, 26);
strcpy(stu.name, "小明");
stu.gender = strGenderToNumGender("男");
stu.mark = 98;
// 打印这些数值
printf("学号:%d\n", stu.id);
printf("姓名:%s\n", stu.name);
const char* gender = numGenderToStrGender(stu.gender);
printf("性别:%s\n", gender);
printf("分数:%d\n", stu.mark);
return 0;
}
现在，我们使用面向过程风格写了3个函数和一个结构体，并且调用了这些函数，将函数返回的结果赋值给了结构体。接下来，让我们以面向对象风格来重新审视这段代码。
在面向对象风格中，结构体被看做数据（data），而操作数据的函数称作方法（method）。目前函数和数据是分离的，函数并不直接操作数据，我们需要拿到函数返回的结果，再将其赋值给数据。面向对象风格编程的第一大特性——封装，它希望方法直接操作数据，并且将数据和方法结合在一起，它们构成一个整体。而这个整体被称作对象。
此外，还有一个方法命名上的规则。一般来说，获取数据的方法会被命名为getXXX，设置数据的方法会被命名为setXXX。
我们对这3个函数做如下修改：
- 将函数的第一个参数设置为
struct student *，让函数直接操作student结构体。 - 修改函数名，获取数据的方法命名为
getXXX，设置数据的方法命名为setXXX。
void setStudentId(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum)
{
char buffer[20];
sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);
int id = atoi(buffer);
s->id = id;
}
const char* getGender(struct student* s)
{
if (s->gender == 0)
{
return "女";
}
else if (s->gender == 1)
{
return "男";
}
return "未知";
}
void setGender(struct student* s, const char* strGender)
{
int numGender;
if (strcmp("男", strGender) == 0)
{
numGender = 1;
}
else if (strcmp("女", strGender) == 0)
{
numGender = 0;
}
else
{
numGender = -1;
}
s->gender = numGender;
}
现在，我们用修改后的函数，直接操作student结构。
int main()
{
struct student stu;
// 学号：202212326
// 姓名：小明
// 性别: 男
// 分数：98
setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);
strcpy(stu.name, "小明");
setGender(&stu, "男");
stu.mark = 98;
// 打印这些数值
printf("学号:%d\n", stu.id);
printf("姓名:%s\n", stu.name);
const char* gender = getGender(&stu);
printf("性别:%s\n", gender);
printf("分数:%d\n", stu.mark);
}
目前，函数可以直接操作数据了。但是，函数和数据依然是两个独立的部分。我们要将函数和数据结合到一起，这样，这个整体就能被称作对象，函数可以称作属于这个对象的方法。
大多数面向对象语言都提供了以下的格式调用一个对象的方法。
对象.方法(对象指针，参数1，参数2， 参数3...)
接下来，我们举几个这种格式的例子：
stu.setGender(&stu, "男");
以上代码中，对象为stu，方法为setGender。通过对象 + 点 + 方法的形式，可以调用属于对象stu的setGender方法。在方法的参数中传入性别男。这样，方法会把性别男转换为整形，并设置到对象stu的数据当中。
const char* gender = stu.getGender(&stu);
以上代码中，对象为stu，方法为getGender。通过对象 + 点 + 方法的形式，可以调用属于对象stu的getGender方法。getGender方法从对象数据中获取整形表示的性别，并返回性别对应的字符串。
在C语言中，若要实现对象 + 点 + 方法的形式，我们可以借助于函数指针。
在结构中，声明这3个函数的函数指针。
struct student {
void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);
const char* (*getGender)(struct student* s);
void (*setGender)(struct student* s, const char* strGender);
int id; // 学号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
int mark; // 分数
};
为了让函数指针有正确的指向，我们需要通过一个initStudent函数，为结构体初始化。
void initStudent(struct student* s)
{
s->setStudentId = setStudentId;
s->getGender = getGender;
s->setGender = setGender;
}
现在，我们可以使用对象 + 点 + 方法的形式，调用对象的方法了。
struct student stu;
// 初始化student
initStudent(&stu);
// 学号：202212326
// 姓名：小明
// 性别: 男
// 分数：98
stu.setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);
strcpy(stu.name, "小明");
stu.setGender(&stu, "男");
stu.mark = 98;
// 打印这些数值
printf("学号:%d\n", stu.id);
printf("姓名:%s\n", stu.name);
const char* gender = stu.getGender(&stu);
printf("性别:%s\n", gender);
printf("分数:%d\n", stu.mark);
这里有一个需要注意的地方，结构体声明后，结构体内的函数指针是无效的。必须先调用initStudent函数，将其设置正确的指向，才能使用这些函数指针。否则，将有可能导致程序崩溃。
为了让方法修改或访问对象，方法的参数中必须要有对象的指针。实现的形式中，第一个参数就是被操作对象指针。其它语言中，被操作对象指针是隐式传递的。不需要你在传参时写明参数，它会自动传入函数。例如，C++中会自动将一个名为this的对象指针作为方法的参数。而C语言中，无法做到自动将对象的指针传入方法，所以我们需要手动写上需要操作的对象的指针。
// C++的写法
stu.setGender("男");
// C语言的写法
stu.setGender(&stu, "男");
继承
除了学生之外，学校里面还需要有老师，老师也具有很多属性。例如：
- 工号
- 姓名
- 性别
- 任课科目
声明一个结构体用于表示老师。
struct teacher {
int id; // 工号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
char subject[20]; // 任课科目
};
比较一下学生和老师的结构体，看看它们之间有什么共同之处与不同之处。
struct teacher {
int id; // 工号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {
int id; // 学号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
int mark; // 分数
};
共同之处如下：
- 编号
- 姓名
- 性别
不同之处：
- 学生有考试分数
- 老师有任课科目
我们可以把两个结构体中的共同之处抽象出来，让它共同之处成为一个新的结构。这个结构体具有老师和学生的共性，而老师与学生它们都是人，可以把这个结构体命名为person。
struct person {
int id; // 编号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
};
接下来，我们可以让老师和学生结构包含这个person对象。
struct teacher {
struct person super;
char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {
struct person super;
int mark; // 分数
};
让我们比较一下原有代码与现有代码。
原有代码：
// 原有代码
struct teacher {
int id; // 工号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {
int id; // 学号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
int mark; // 分数
};
现有代码
// 现有代码
struct person {
int id; // 编号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
};
struct teacher {
struct person super;
char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {
struct person super;
int mark; // 分数
};
原有代码中，老师和学生结构体中，均有id、name、gender三个变量。现有代码中，将这3个变量抽象成结构体person。这样一来，有两个好处：
- 减少重复代码
- 代码层次更清晰
由于student和teacher拥有person的一切，因此，我们可以说，student与teacher均继承于person。person是student与teacher的父对象。student与teacher是person的子对象。
刚刚我们只讨论了数据，现在我们结合上方法一起讨论。
struct person {
int id; // 编号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
};
struct teacher {
struct person super;
char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {
struct person super;
int mark; // 分数
void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);
const char* (*getGender)(struct student* s);
void (*setGender)(struct student* s, const char* strGender);
};
之前我们为student写了3个方法
- 设置性别
- 获取性别
- 设置学号
其中，性别相关的方法也属于共性的方法。可以把这两个函数指针移动到person对象里面去，注意，要把方法的第一个参数struct student *修改为struct person *。移动后，子对象student与teacher均可以使用这一对性别相关的方法。而设置学号的方法，为student独有的方法，因此保持不变，依然将其放置在student对象内。
struct person {
int id; // 编号
char name[20]; // 姓名
int gender; // 性别
// 设置性别
void (*setGender)(struct person* s, const char* strGender);
// 获取性别
const char* (*getGender)(struct person* s);
};
struct teacher {
struct person super;
char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {
struct person super;
int mark; // 分数
// 设置学号
void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);
};
对应上面的更改，函数getGender与setGender的第一个参数也要由struct student *修改为struct person *。
const char* getGender(struct person* p)
{
if (p->gender == 0)
{
return "女";
}
else if (p->gender == 1)
{
return "男";
}
return "未知";
}
void setGender(struct person* p, const char* strGender)
{
int numGender;
if (strcmp("男", strGender) == 0)
{
numGender = 1;
}
else if (strcmp("女", strGender) == 0)
{
numGender = 0;
}
else
{
numGender = -1;
}
p->gender = numGender;
}
此外，setStudentId函数中，id成员，不在student中，而是在student中的person中。这里也要对应的修改一下。
void setStudentId(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum)
{
char buffer[20];
sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);
int id = atoi(buffer);
s->super.id = id; // 由s->id = id 修改为 s->super.id = id
}
还有，别忘了给结构初始化函数指针。
void initPerson(struct person* p)
{
p->getGender = getGender;
p->setGender = setGender;
}
void initStudent(struct student* s)
{
initPerson(&(s->super));
s->setStudentId = setStudentId;
}
void initTeacher(struct teacher* t)
{
initPerson(&(t->super));
}
下面我们即可使用这些对象了。
struct student stu;
// 初始化student
initStudent(&stu);
// 学号：202212326
// 姓名：小明
// 性别: 男
// 分数：98
stu.setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);
strcpy(stu.super.name, "小明");
stu.super.setGender(&stu.super, "男");
stu.mark = 98;
// 打印这些数值
printf("学号:%d\n", stu.super.id);
printf("姓名:%s\n", stu.super.name);
const char* gender = stu.super.getGender(&stu.super);
printf("性别:%s\n", gender);
printf("分数:%d\n", stu.mark);
putchar('\n');
struct teacher t;
// 初始化teacher
initTeacher(&t);
// 工号：12345
// 姓名：林老师
// 性别: 男
// 科目：C语言
t.super.id = 12345;
strcpy(t.super.name, "林老师");
t.super.setGender(&t.super, "男");
strcpy(t.subject, "C语言");
// 打印这些数值
printf("学号:%d\n", t.super.id);
printf("姓名:%s\n", t.super.name);
gender = t.super.getGender(&t.super);
printf("性别:%s\n", gender);
printf("科目:%s\n", t.subject);
多态
我们以绘制各种图形为背景，展开对多态这一特性的讨论。
绘制图形
现在，我们有3种图形，它们分别为：
- 矩形
- 圆形
- 三角形
我们把这3种图形均看做对象，这些图形对象，分别需要有哪些属性呢？
- 矩形：左上角坐标、右下角坐标
- 圆形：圆心x坐标、圆心y坐标、半径
- 三角形：三个顶点坐标
现在，我们用代码分别实现这几个对象。
struct Rect {
int left;
int top;
int right;
int bottom;
};
struct Circle {
int x;
int y;
int r;
};
struct Triangle {
POINT p1;
POINT p2;
POINT p3;
};
为了能够在屏幕上绘制这些图形，每个图形都设置一个名为draw的方法。
struct Rect {
void (*draw)(struct Rect*);
int left;
int top;
int right;
int bottom;
};
struct Circle {
void (*draw)(struct Circle*);
int x;
int y;
int r;
};
struct Triangle {
void (*draw)(struct Triangle*);
POINT p1;
POINT p2;
POINT p3;
};
分别实现3个不同的绘制函数。
绘制矩形：
调用 easyx 中的 rectangle 函数，传入左上角坐标与右下角坐标。
void drawRect(struct Rect* r)
{
rectangle(r->left, r->top, r->right, r->bottom);
}
绘制圆形：
调用 easyx 中的 circle 函数，传入圆心坐标与半径。
void drawCircle(struct Circle* c)
{
circle(c->x, c->y, c->r);
}
绘制三角形:
调用 easyx 中的 line 函数，分别绘制点 p1 到 p2 的线段， p2 到 p3 的线段，以及 p3 到 p1 的线段。
void drawTriangle(struct Triangle* t)
{
line(t->p1.x, t->p1.y, t->p2.x, t->p2.y);
line(t->p2.x, t->p2.y, t->p3.x, t->p3.y);
line(t->p3.x, t->p3.y, t->p1.x, t->p1.y);
}
下面，分别写3个初始化函数，用于给对象中的函数指针draw进行赋值。
void initRect(struct Rect* r)
{
r->draw = drawRect;
}
void initCircle(struct Circle* r)
{
r->draw = drawCircle;
}
void initTriangle(struct Triangle* r)
{
r->draw = drawTriangle;
}
现在，准备工作都做好了，我们开始绘制这些图形吧。
int main()
{
initgraph(800, 600);
setaspectratio(1, -1);
setorigin(400, 300);
setbkcolor(WHITE);
setlinecolor(BLACK);
cleardevice();
struct Rect r = { -200, 200, 200, 0 };
struct Circle c = { 0, 0, 100 };
struct Triangle t = { {0, 200}, {-200, 0}, {200, 0} };
initRect(&r);
initCircle(&c);
initTriangle(&t);
r.draw(&r);
c.draw(&c);
t.draw(&t);
getchar();
closegraph();
return 0;
}
创建一个800 * 600的绘图窗体，设置x轴正方向为从左到右，y轴正方向为从下到上。将原点坐标从窗体左上角更改为窗体中心。设置背景颜色为白色，描边颜色为黑色，并使用背景色刷新整个窗体。下面分别声明矩形、圆形、三角形三个对象，并将需要的属性初始化。之后，三个对象分别调用各自的init函数，为对象内的函数指针赋值。完成准备工作后，即可使用对象 + 点 + 方法的形式，调用各自的draw方法绘制图形了。
多态
struct Rect {
void (*draw)(struct Rect*);
int left;
int top;
int right;
int bottom;
};
struct Circle {
void (*draw)(struct Circle*);
int x;
int y;
int r;
};
struct Triangle {
void (*draw)(struct Triangle*);
POINT p1;
POINT p2;
POINT p3;
};
我们仔细观察这3个对象，看看它们分别有什么共性？可以发现，这3个对象，它们都有一个draw方法。那么，我们可以将draw这个方法抽象出来，单独放置到一个对象当中。由于这三个对象都是形状。我们可以把单独抽象出来的对象，命名为shape。shape对象中的draw方法，应当是一个共性的方法，所以，它的参数应当设置为struct Shape *。
struct Shape {
void (*draw)(struct Shape*);
};
接下来，让Rect、Circle、Triangle三个对象分别都包含Shape对象。这样，它们就都能使用draw这个方法了。
struct Rect {
struct Shape super;
int left;
int top;
int right;
int bottom;
};
struct Circle {
struct Shape super;
int x;
int y;
int r;
};
struct Triangle {
struct Shape super;
POINT p1;
POINT p2;
POINT p3;
};
这里有一个需要注意的地方，父对象与子对象的内存排布必须重合。
例如：下图中，上面的两个对象内存排布可以重合。而下面的两个对象的内存排布无法重合。
像下面一样的声明Rect是正确的。
// 正确
struct Rect {
struct Shape super;
int left;
int top;
int right;
int bottom;
};
而下面一样的声明Rect是错误的。
// 错误
struct Rect {
int left;
int top;
int right;
int bottom;
struct Shape super;
};
接着，我们需要修改各对象的初始化函数。将原有的r->draw改为r->super.draw。
void initRect(struct Rect* r)
{
r->super.draw = drawRect;
}
void initCircle(struct Circle* c)
{
c->super.draw = drawCircle;
}
void initTriangle(struct Triangle* t)
{
t->super.draw = drawTriangle;
}
注意，这里还有一个问题，函数内赋值运算符左边的函数指针r->super.draw的类型为void (*)(struct Shape*)，参数为struct Shape*。而赋值运算符右边的函数指针类型分别为：
void (*)(struct Rect*)
void (*)(struct Circle*)
void (*)(struct Triangle*)
函数指针参数类型不一致，无法进行赋值。我们可以把右边的函数指针强制类型转换为void (*)(struct Shape*)。
void initRect(struct Rect* r)
{
r->super.draw = (void (*)(struct Shape*))drawRect;
}
void initCircle(struct Circle* c)
{
c->super.draw = (void (*)(struct Shape*))drawCircle;
}
void initTriangle(struct Triangle* t)
{
t->super.draw = (void (*)(struct Shape*))drawTriangle;
}
我们考虑一下怎样来使用这些对象。
struct Rect r = { {}, - 200, 200, 200, 0 };
struct Circle c = { {}, 0, 0, 100 };
struct Triangle t = { {}, {0, 200}, {-200, 0}, {200, 0} };
首先，声明Rect、Circle、Triangle这3个对象，并使用初始化列表将其初始化。注意，由于它们的第一个成员为super，所以，这里使用空列表{}，将super成员初始化为零。
initRect(&r);
initCircle(&c);
initTriangle(&t);
让三个对象分别调用各自的初始化函数，给各自对象super成员中的draw设置为各自对应的绘图函数。
r.super.draw设置为drawRectc.super.draw设置为drawCirclet.super.draw设置为drawRTriangle
struct Shape* arrShape[3] = {
(struct Shape*)&r, (struct Shape*)&c, (struct Shape*)&t };
声明一个元素类型为struct Shape *的数组，元素个数为3。分别用r的指针，c的指针，t的指针初始化。注意，这里也需要进行强制类型转换，否则初始化列表里面的指针类型和数组元素的指针类型不一致。
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
arrShape[i]->draw(arrShape[i]);
}
到了关键的一步，使用循环，依次调用draw函数。由于3次循环中的draw函数分别为各个图形各自的绘图函数。所以，虽然统一调用的是draw，但是，却可以执行它们各自的绘图函数。至此，不同实现的方法，在此得到统一。
总结实现多态的步骤
- 抽离出各个对象中共有的方法
draw，将其单独放置在一个对象Shape内。 - 各个对象均继承于
Shape对象。 - 将各个子对象中的
draw方法，设置为各自的实现方法。 - 声明一个
Shape对象的指针，并将其赋值为一个子对象的指针。 - 通过上述对象指针，调用方法共有方法
draw，执行的是第三步中设置的方法。