C语言也可以“面向对象”—— C语言实现封装、继承和多态

 

2014年02月05日 17:48:24
阅读数：3205

网上看到一篇讲述C语言面向对象的文章，顿时眼睛一亮，也佩服作者认识的深入。

特此转来与大家分享，网址： http://dongxicheng.org/cpp/ooc/

1、  概述

C语言是一种面向过程的程序设计语言，而C++是在C语言基础上衍生来了的面向对象的语言，实际上，很多C++实现的底层是用C语言实现的，如在Visual C++中的Interface其实就是struct，查找Interface的定义，你可以发现有这样的宏定义：

#ifndef Interface

#define Interface struct

#endif

C++在语言级别上添加了很多新机制（继承，多态等），而在C语言中，我们也可以使用这样的机制，前提是我们不得不自己实现。

本文介绍了用C语言实现封装，继承和多态的方法。

2、  基本知识

在正式介绍C语言实现封装，继承和多态事前，先介绍一下C语言中的几个概念和语法。

（1）    结构体

在C语言中，常把一个对象用结构体进行封装，这样便于对对象进行操作，比如：

[cpp] view plain copy
 
  1. strcut Point{  
  2.    
  3. int x;  
  4.    
  5. int y;  
  6.    
  7. };  

结构体可以嵌套。因而可以把一个结构体当成另一个结构体的成员，如：
[cpp] view plain copy
 
  1. struct Circle {  
  2.    
  3. struct Point point_;  
  4.    
  5. int radius;  
  6.    
  7. };  
该结构体与以下定义完全一样（包括内存布置都一样）：
[cpp] view plain copy
 
  1. struct Circle {  
  2.    
  3. int x;  
  4.    
  5. int y;  
  6.    
  7. int radius;  
  8.    
  9. };  

（2）    函数指针

函数指针是指针的一种，它指向函数的首地址（函数的函数名即为函数的首地址），可以通过函数指针来调用函数。

如函数：

int func(int a[], int n);

可以这样声明函数指针：

int (*pFunc)(int a[], int n);

这样使用：

pFunc = func;

(*pFunc)(a, n);【或者PFunc(a, n)】

可以用typedef定义一个函数指针类型，如：

typdef int (*FUNC)(int a[], int n)

可以这样使用：

int cal_a(FUNC fptr, int a[], int n)

{

//实现体

}

（3）    extern与static

extern和static是C语言中的两个修饰符，extern可用于修饰函数或者变量，表示该变量或者函数在其他文件中进行了定义；static也可用于修饰函数或者变量，表示该函数或者变量只能在该文件中使用。可利用它们对数据或者函数进行隐藏或者限制访问权限。

3、  封装

在C语言中，可以用结构+函数指针来模拟类的实现，而用这种结构定义的变量就是对象。

封装的主要含义是隐藏内部的行为和信息，使用者只用看到对外提供的接口和公开的信息。有两种方法实现封装：

(1)    利用C语言语法。在头文件中声明，在C文件中真正定义它。

这样可以隐藏内部信息，因为外部不知道对象所占内存的大小，所以不能静态的创建该类的对象，只能调用类提供的创建函数才能创建。这种方法的缺陷是不支持继承，因为子类中得不到任何关于父类的信息。如：

[cpp] view plain copy
 
  1. //头文件：point.h  
  2.    
  3. #ifndef POINT_H  
  4.    
  5. #define POINT_H  
  6.    
  7. struct Point;  
  8.    
  9. typedef struct Point point;  
  10.    
  11. point * new_point(); //newer a point object  
  12.    
  13. void free_point(point *point_);// free the allocated space  
  14.    
  15. #endif  
  16.    
  17. //C文件:point.c  
  18.    
  19. #include”point.h”  
  20.    
  21. strcut Point  
  22.    
  23. {  
  24.    
  25. int x;  
  26.    
  27. int y;  
  28.    
  29. };  
  30.    
  31. point * new_point()  
  32.    
  33. {  
  34.    
  35. point * new_point_ = (point *) malloc(sizeof(point));  
  36.    
  37. return new_point_;  
  38.    
  39. }  
  40.    
  41. void free_point(point *point_)  
  42.    
  43. {  
  44.    
  45. if(point_ == NULL)  
  46.    
  47. return;  
  48.    
  49. free(point_);  
  50.    
  51. }  

(2)    把私有数据信息放在一个不透明的priv变量或者结构体中。只有类的实现代码才知道priv或者结构体的真正定义。如:
[cpp] view plain copy
 
  1. #ifndef POINT _H  
  2.    
  3. #define POINT_H  
  4.    
  5. typedef struct Point point;  
  6.    
  7. typedef struct pointPrivate pointPrivate;  
  8.    
  9. strcut Point  
  10.    
  11. {  
  12.    
  13. Struct pointPrivate *pp;  
  14.    
  15. };  
  16.    
  17. int get_x(point *point_);  
  18.    
  19. int get_y(point *point_);  
  20.    
  21. point * new_point(); //newer a point object  
  22.    
  23. void free_point(point *point_);// free the allocated space  
  24.    
  25. #endif  
  26.    
  27. //C文件:point.c  
  28.    
  29. #include”point.h”  
  30.    
  31. struct pointPrivate  
  32.    
  33. {  
  34.    
  35. int x;  
  36.    
  37. int y;  
  38.    
  39. }  
  40.    
  41. int get_x(point *point_)  
  42.    
  43. {  
  44.    
  45. return point_->pp->x;  
  46.    
  47. }  
  48.    
  49. int get_y(point *point_)  
  50.    
  51. {  
  52.    
  53. return point_->pp->y;  
  54.    
  55. }  
  56.    
  57. //others…..  

4、  继承

在C语言中，可以利用“结构在内存中的布局与结构的声明具有一致的顺序”这一事实实现继承。

比如我们要设计一个作图工具，其中可能涉及到的对象有Point(点)，Circle(圆)，由于圆是由点组成的，所有可以看成Circle继承自Point。

另外，Point和Circle都需要空间申请，空间释放等操作，所有他们有共同的基类Base。

[cpp] view plain copy
 
  1. //内存管理类new.h  
  2.    
  3. #ifndef NEW_H  
  4.    
  5. #define NEW_H  
  6.    
  7. void * new (const void * class, ...);  
  8.    
  9. void delete (void * item);  
  10.    
  11. void draw (const void * self);  
  12.    
  13. #endif  
  14.    
  15. //内存管理类的C文件：new.c  
  16.    
  17. #include “new.h”  
  18.    
  19. #include “base.h”  
  20.    
  21. void * new (const void * _base, ...)  
  22.    
  23. {  
  24.    
  25. const struct Base * base = _base;  
  26.    
  27. void * p = calloc(1, base->size);  
  28.    
  29. assert(p);  
  30.    
  31. * (const struct Base **) p = base;  
  32.    
  33. if (base ->ctor)  
  34.    
  35. {  
  36.    
  37. va_list ap;  
  38.    
  39. va_start(ap, _base);  
  40.    
  41. p = base ->ctor(p, &ap);  
  42.    
  43. va_end(ap);  
  44.    
  45. }  
  46.    
  47. return p;  
  48.    
  49. }  
  50.    
  51. void delete (void * self)  
  52.    
  53. {  
  54.    
  55. const struct Base ** cp = self;  
  56.    
  57. if (self && * cp && (* cp) —> dtor)  
  58.    
  59. self = (* cp) —>dtor(self);  
  60.    
  61. free(self);  
  62.    
  63. }  
  64.    
  65. void draw (const void * self)  
  66.    
  67. {  
  68.    
  69. const struct Base * const * cp = self;  
  70.    
  71. assert(self &&* cp && (* cp)->draw);  
  72.    
  73. (* cp) ->draw(self);  
  74.    
  75. }  
  76.    
  77. //基类：base.h  
  78.    
  79. #ifndef BASE_H  
  80.    
  81. #define BASE_H  
  82.    
  83. struct Base  
  84.    
  85. {  
  86.    
  87. size_t size; //类所占空间  
  88.    
  89. void * (* ctor) (void * self, va_list * app); //构造函数  
  90.    
  91. void * (* dtor) (void * self); //析构函数  
  92.    
  93. void (* draw) (const void * self); //作图  
  94.    
  95. };  
  96.    
  97. #endif  
  98.    
  99. //Point头文件(对外提供的接口)：point.h  
  100.    
  101. #ifndef   POINT_H  
  102.    
  103. #define  POINT_H  
  104.    
  105. extern const void * Point;                /* 使用方法：new (Point, x, y); */  
  106.    
  107. #endif  
  108.    
  109. //Point内部头文件(外面看不到)：point.r  
  110.    
  111. #ifndef POINT_R  
  112.    
  113. #define POINT_R  
  114.    
  115. struct Point  
  116.    
  117. {  
  118.    
  119. const void * base; //继承，基类指针，放在第一个位置，const是防止修改  
  120.    
  121. int x, y;        //坐标  
  122.    
  123. };  
  124.    
  125. #endif  
  126.    
  127. //Point的C文件：point.c  
  128.    
  129. #include “point.h”  
  130.    
  131. #include “new.h”  
  132.    
  133. #include “point.h”  
  134.    
  135. #include “point.r”  
  136.    
  137. static void * Point_ctor (void * _self, va_list * app)  
  138.    
  139. {  
  140.    
  141. struct Point * self = _self;  
  142.    
  143. self ->x = va_arg(* app, int);  
  144.    
  145. self ->y = va_arg(* app, int);  
  146.    
  147. return self;  
  148.    
  149. }  
  150.    
  151. static void Point_draw (const void * _self)  
  152.    
  153. {  
  154.    
  155. const struct Point * self = _self;  
  156.    
  157. printf(“draw (%d,%d)”, self -> x, self -> y);  
  158.    
  159. }  
  160.    
  161. static const struct Base _Point = {  
  162.    
  163. sizeof(struct Point), Point_ctor, 0, Point_draw  
  164.    
  165. };  
  166.    
  167. const void * Point = & _Point;  
  168.    
  169. //测试程序：main.c  
  170.    
  171. #include “point.h”  
  172.    
  173. #include “new.h”  
  174.    
  175. int main (int argc, char ** argv)  
  176.    
  177. {  
  178.    
  179. void * p = new(Point, 1, 2);  
  180.    
  181. draw(p);  
  182.    
  183. delete(p);  
  184.    
  185. }  

同样，Circle要继承Point，则可以这样：
[cpp] view plain copy
 
  1. struct Circle  
  2.    
  3. {  
  4.    
  5. const struct Point point; //放在第一位，可表继承  
  6.    
  7. int radius;  
  8.    
  9. };  

5、  多态

可以是用C语言中的万能指针void* 实现多态，接上面的例子：

[cpp] view plain copy
 
  1. //测试main.c  
  2.    
  3. void * p = new(Point, 1, 2);  
  4.    
  5. void * pp = new(Circle, 1, 2);  
  6.    
  7. draw(p); //draw函数实现了多态  
  8.    
  9. draw(pp);  
  10.    
  11. delete(p);  
  12.    
  13. delete(pp);  

6、  总结

C语言能够模拟实现面向对象语言具有的特性，包括：多态，继承，封装等，现在很多开源软件都了用C语言实现了这几个特性，包括大型开源数据库系统postgreSQL，可移植的C语言面向对象框架GObject，无线二进制运行环境BREW。采用C语言实现多态，继承，封装，能够让软件有更好的可读性，可扩展性。

7、  参考资料

(1)        《C语言中extern和static用法》：

http://www.cnblogs.com/hishope/archive/2008/08/28/1278822.html

(2)        《三、使用GObject——私有成员和静态变量》:

http://blog.csdn.net/wormsun/archive/2009/11/25/4874465.aspx

(3)        《技巧：用 C 语言实现程序的多态性》：

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-cpolym/index.html?ca=drs-

(4)        书籍《Object-Oriented Programming With ANSI-C》

8、  代码下载

本文中的代码可以在此处下载：代码下载

原创文章，转载请注明： 转载自董的博客

本文链接地址: http://dongxicheng.org/cpp/ooc/

作者：Dong，作者介绍：http://dongxicheng.org/about/

本博客的文章集合:

【推广】 免费学中医，健康全家人
原文地址：https://www.cnblogs.com/xc1234/p/9166008.html