C語(yǔ)言的高級用法，面向對象
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不知道有多少人去了解過(guò)語(yǔ)言的發(fā)展史，早期C語(yǔ)言的語(yǔ)法功能其實(shí)比較簡(jiǎn)單。隨著(zhù)應用需求和場(chǎng)景的變化，C語(yǔ)言的語(yǔ)法功能在不斷升級變化。
雖然我們的教材有這么一個(gè)結論：C語(yǔ)言是面向過(guò)程的語(yǔ)言，C++是面向對象的編程語(yǔ)言，但面向對象的概念是在C語(yǔ)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(xié)議等。
面向對象編程，也就是大家說(shuō)的OOP（Object Oriented Programming）并不是一種特定的語(yǔ)言或者工具，它只是一種設計方法、設計思想，它表現出來(lái)的三個(gè)最基本的特性就是封裝、繼承與多態(tài)。
1、為什么用C實(shí)現OOP閱讀文本之前肯定有讀者會(huì )問(wèn)這樣的問(wèn)題：我們有C++面向對象的語(yǔ)言，為什么還要用C語(yǔ)言實(shí)現面向對象呢？
C語(yǔ)言這種非面向對象的語(yǔ)言，同樣也可以使用面向對象的思路來(lái)編寫(xiě)程序的。
只是用面向對象的C++語(yǔ)言來(lái)實(shí)現面向對象編程會(huì )更簡(jiǎn)單一些，但是C語(yǔ)言的高效性是其他面向對象編程語(yǔ)言無(wú)法比擬的。
當然使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現面向對象的開(kāi)發(fā)相對不容易理解，這就是為什么大多數人學(xué)過(guò)C語(yǔ)言卻看不懂Linux內核源碼。
所以這個(gè)問(wèn)題其實(shí)很好理解，只要有一定C語(yǔ)言編程經(jīng)驗的讀者都應該能明白：面向過(guò)程的C語(yǔ)言和面向對象的C++語(yǔ)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(yǔ)言面向對象編程就顯得尤為重要。
要想使用C語(yǔ)言實(shí)現面向對象，首先需要具備一些基礎知識。比如：（C語(yǔ)言中的）結構體、函數、指針，以及函數指針等，（C++中的）基類(lèi)、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(shuō)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(méi)有這種設計思想肯定不行。
因此，不建議初學(xué)者使用C語(yǔ)言實(shí)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(yǔ)言實(shí)現面向對象的方法很多，下面就來(lái)描述最基本的封裝、繼承和多態(tài)。
3、封裝封裝就是把數據和函數打包到一個(gè)類(lèi)里面，其實(shí)大部分C語(yǔ)言編程者都已近接觸過(guò)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(xiě)操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 類(lèi)比于構造函數，fclose() 就是析構函數。
這個(gè)看起來(lái)似乎很好理解，那下面我們實(shí)現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，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(lèi)的聲明，非常簡(jiǎn)單，很好理解。一般會(huì )把聲明放到頭文件里面 “Shape.h”。來(lái)看下 Shape 類(lèi)相關(guān)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 <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)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(gè)例子，非常簡(jiǎn)單，非常好理解。以后寫(xiě)代碼時(shí)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。
4、繼承 繼承就是基于現有的一個(gè)類(lèi)去定義一個(gè)新類(lèi)，這樣有助于重用代碼，更好的組織代碼。在 C 語(yǔ)言里面，去實(shí)現單繼承也非常簡(jiǎn)單，只要把基類(lèi)放到繼承類(lèi)的第一個(gè)數據成員的位置就行了。例如，我們現在要創(chuàng )建一個(gè) Rectangle 類(lèi)，我們只要繼承 Shape 類(lèi)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(lèi)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(lái)看一下 Rectangle 的繼承關(guān)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(gè)指向 Rectangle 對象的指針到一個(gè)期望傳入 Shape 對象的指針的函數中，就是一個(gè)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(huà)，基類(lèi)的所有屬性和方法都可以被繼承類(lèi)繼承！
#include "rect.h"
#include <stdio.h>
int main()
{
Rectangle r1, r2;
// 實(shí)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(lèi)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)5、多態(tài) C++ 語(yǔ)言實(shí)現多態(tài)就是使用虛函數。在 C 語(yǔ)言里面，也可以實(shí)現多態(tài)。
現在，我們又要增加一個(gè)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(lèi)，不知道怎么去計算自己的面積，更不知道怎么去畫(huà)出來(lái)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(lèi)：
#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，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(lèi)關(guān)系圖：
5.1 虛表和虛指針
虛表（Virtual Table）是這個(gè)類(lèi)所有虛函數的函數指針的集合。
虛指針（Virtual Pointer）是一個(gè)指向虛表的指針。這個(gè)虛指針必須存在于每個(gè)對象實(shí)例中，會(huì )被所有子類(lèi)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(gè)對象實(shí)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(lèi)的構造函數中。事實(shí)上，在構造函數中，C++ 編譯器隱式的創(chuàng )建了一個(gè)初始化的vptr。在 C 語(yǔ)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(gè) vptr。
#include "shape.h"
#include <assert.h>
// 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(lèi)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(lèi)的虛函數實(shí)現
static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me)
{
assert(0); // 類(lèi)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(jīng)提到過(guò)，基類(lèi)包含 vptr，子類(lèi)會(huì )自動(dòng)繼承。但是，vptr 需要被子類(lèi)的虛表重新賦值。并且，這也必須發(fā)生在子類(lèi)的構造函數中。下面是 Rectangle 的構造函數。
#include "rect.h"
#include <stdio.h>
// 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(lèi)的構造函數
me->super.vptr = &vtbl; // 重載 vptr
me->width = width;
me->height = height;
}
// Rectangle's 虛函數實(shí)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(shí)現，虛擬調用（后期綁定）就可以用下面代碼實(shí)現了。
uint32_t Shape_area(Shape const * const me)
{
return (*me->vptr->area)(me);
}這個(gè)函數可以放到.c文件里面，但是會(huì )帶來(lái)一個(gè)缺點(diǎn)就是每個(gè)虛擬調用都有額外的調用開(kāi)銷(xiāo)。為了避免這個(gè)缺點(diǎn)，如果編譯器支持內聯(lián)函數（C99）。我們可以把定義放到頭文件里面，類(lèi)似下面：
static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me)
{
return (*me->vptr->area)(me);
}如果是老一點(diǎn)的編譯器（C89），我們可以用宏函數來(lái)實(shí)現，類(lèi)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(shí)例化矩形對象
Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15);
Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);
// 實(shí)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)6、總結 還是那句話(huà)，面向對象編程是一種方法，并不局限于某一種編程語(yǔ)言。用 C 語(yǔ)言實(shí)現封裝、單繼承，理解和實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單，多態(tài)反而會(huì )稍微復雜一點(diǎn)，如果打算廣泛的使用多態(tài)，還是推薦轉到 C++ 語(yǔ)言上，畢竟這層復雜性被這個(gè)語(yǔ)言給封裝了，你只需要簡(jiǎn)單的使用就行了。但并不代表，C 語(yǔ)言實(shí)現不了多態(tài)這個(gè)特性。
原文地址：https://blog.csdn.net/onlyshi/article/details/81672279
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