C語言實現【面向對象】的一些方法

strongerHuang 2024-09-19 08:01

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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，比如某些操作系統內核、通信協議等。

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，它表現出來的三個最基本的特性就是封裝、繼承與多態。

為什么要用C語言實現面向對象

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語言來實現面向對象的開發相對不容易理解，這就是為什么大多數人學過C語言卻看不懂Linux內核源碼。

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、指針，以及函數指針等，（C++中的）基類、派生、多態、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很多，下面就來描述最基本的封裝、繼承和多態。

封裝

封裝就是把數據和函數打包到一個類里面，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()等函數的操作對象就是 FILE。數據內容就是 FILE，數據的讀寫操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 類比于構造函數，fclose() 就是析構函數。

這個看起來似乎很好理解，那下面我們實現一下基本的封裝特性。

#ifndef SHAPE_H#define SHAPE_H
#include 
// Shape 的屬性typedef struct {    int16_t x;     int16_t y; } Shape;
// Shape 的操作函數，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，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   /* 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;}

編譯之后，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，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面向對象編程的思維。

繼承

繼承就是基于現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，去實現單繼承也非常簡單，只要把基類放到繼承類的第一個數據成員的位置就行了。

例如，我們現在要創建一個 Rectangle 類，我們只要繼承 Shape 類已經存在的屬性和操作，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;}

我們來看一下 Rectangle 的繼承關系和內存布局：

因為有這樣的內存布局，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 對象的指針的函數中，就是一個函數的參數是 “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  
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)\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 語言里面，也可以實現多態。

現在，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。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 
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，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》的第一章內容中，有這些介紹。

5.2 在構造函數中設置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中。事實上，在構造函數中，C++ 編譯器隱式的創建了一個初始化的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 的構造函數里面，如何去初始化這個 vptr。

#include "shape.h"#include 
// Shape 的虛函數static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me);static void Shape_draw_(Shape const * const me);
// 構造函數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 類的虛函數實現static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me) {    assert(0); // 類似純虛函數    return 0U; // 避免警告}
static void Shape_draw_(Shape const * const me) {    assert(0); // 純虛函數不能被調用}

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]); // 虛函數調用    }}

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。但是，vptr 需要被子類的虛表重新賦值。并且，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  
// 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（后期綁定）就可以用下面代碼實現了。

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，如果編譯器支持內聯函數（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），我們可以用宏函數來實現，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  
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)

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 語言實現封裝、單繼承，理解和實現起來比較簡單，多態反而會稍微復雜一點，如果打算廣泛的使用多態，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 語言實現不了多態這個特性。