C 语言实现面向对象编程

转载 https://blog.csdn.net/onlyshi/article/details/81672279

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 <stdint.h>

// 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 <stdio.h> /* 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)
", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1));
12 printf("Shape s2(x=%d,y=%d)
", 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)
", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1));
18 printf("Shape s2(x=%d,y=%d)
", 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 #include <stdio.h>
 3 
 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)
",
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)
",
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)
",
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)
",
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 #include <stdint.h>
 5 
 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 #include <assert.h>
 5 
 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 #include <stdio.h>
 3 
 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)
",
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 #include <stdio.h>
 4 
 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)
", 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。