時間：2020-11-08 23:28:24

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[導讀]不知道有多少人去了解過語言的發(fā)展史，早期C語言的語法功能其實比較簡單。隨著應(yīng)用需求和場景的變化，C語言的語法功能在不斷升級變化。

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不知道有多少人去了解過語言的發(fā)展史，早期C語言的語法功能其實比較簡單。隨著應(yīng)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(jié)論：C語言是面向過程的語言，C++是面向?qū)ο?/span>的編程語言，但面向?qū)ο蟮母拍钍窃贑語言階段就有了，而且應(yīng)用到了很多地方，比如某些操作系統(tǒng)內(nèi)核、通信協(xié)議等。

面向?qū)ο缶幊?，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(shè)計方法、設(shè)計思想，它表現(xiàn)出來的三個最基本的特性就是封裝、繼承與多態(tài)。

為什么要用C語言實現(xiàn)面向?qū)ο?/span>

閱讀文本之前肯定有讀者會問這樣的問題：我們有C++面向?qū)ο蟮恼Z言，為什么還要用C語言實現(xiàn)面向?qū)ο竽兀?/span>

C語言這種非面向?qū)ο蟮恼Z言，同樣也可以使用面向?qū)ο蟮乃悸穪砭帉懗绦虻摹?strong>只是用面向?qū)ο蟮?strong>C++語言來實現(xiàn)面向?qū)ο缶幊虝唵我恍?，但是C語言的高效性是其他面向?qū)ο缶幊陶Z言無法比擬的。

當然使用C語言來實現(xiàn)面向?qū)ο蟮拈_發(fā)相對不容易理解，這就是為什么大多數(shù)人學過C語言卻看不懂Linux內(nèi)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(jīng)驗的讀者都應(yīng)該能明白：面向過程的C語言和面向?qū)ο蟮腃++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?qū)ο缶幊叹惋@得尤為重要。

具備條件

要想使用C語言實現(xiàn)面向?qū)ο螅紫刃枰邆湟恍┗A(chǔ)知識。比如：（C語言中的）結(jié)構(gòu)體、函數(shù)、指針，以及函數(shù)指針等，（C++中的）基類、派生、多態(tài)、繼承等。

首先，不僅僅是了解這些基礎(chǔ)知識，而是有一定的編程經(jīng)驗，因為上面說了“面向?qū)ο笫且环N設(shè)計方法、設(shè)計思想”，如果只是停留在字面意思的理解，沒有這種設(shè)計思想肯定不行。

因此，不建議初學者使用C語言實現(xiàn)面向?qū)ο?，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(xiàn)面向?qū)ο蟮姆椒ê芏?，下面就來描述最基本的封裝、繼承和多態(tài)。

封裝

封裝就是把數(shù)據(jù)和函數(shù)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(shù)的操作對象就是 FILE。數(shù)據(jù)內(nèi)容就是 FILE，數(shù)據(jù)的讀寫操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 類比于構(gòu)造函數(shù)，fclose() 就是析構(gòu)函數(shù)。

這個看起來似乎很好理解，那下面我們實現(xiàn)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(shù)，接口函數(shù)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(guān)的定義，當然是在 “Shape.c” 里面。

#include "shape.h" // 構(gòu)造函數(shù)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(shù)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(zhí)行結(jié)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(yǎng)面向?qū)ο缶幊痰乃季S。

繼承

繼承就是基于現(xiàn)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(xiàn)單繼承也非常簡單，只要把基類放到繼承類的第一個數(shù)據(jù)成員的位置就行了。

例如，我們現(xiàn)在要創(chuàng)建一個 Rectangle 類，我們只要繼承 Shape 類已經(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(gòu)造函數(shù)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(gòu)造函數(shù)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(guān)系和內(nèi)存布局：

因為有這樣的內(nèi)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(shù)中，就是一個函數(shù)的參數(shù)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(zhuǎn)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(jié)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(tài)

C++ 語言實現(xiàn)多態(tài)就是使用虛函數(shù)。在 C 語言里面，也可以實現(xiàn)多態(tài)。
現(xiàn)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(shù)。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(shù)，接口函數(shù)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(shù)之后的類關(guān)系圖：

5.1 虛表和虛指針 虛表（Virtual Table）是這個類所有虛函數(shù)的函數(shù)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(nèi)容中，有這些介紹。
5.2 在構(gòu)造函數(shù)中設(shè)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(gòu)造函數(shù)中。事實上，在構(gòu)造函數(shù)中，C++ 編譯器隱式的創(chuàng)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(gòu)造函數(shù)里面，如何去初始化這個 vptr。

#include "shape.h"#include  // Shape 的虛函數(shù)static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me);static void Shape_draw_(Shape const * const me); // 構(gòu)造函數(shù)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(shù)實現(xiàn)static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me) { assert(0); // 類似純虛函數(shù) return 0U; // 避免警告} static void Shape_draw_(Shape const * const me) { assert(0); // 純虛函數(shù)不能被調(diào)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(shù)調(diào)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(shù)調(diào)用 }}

5.3 繼承 vtbl 和重載 vptr 上面已經(jīng)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(fā)生在子類的構(gòu)造函數(shù)中。下面是 Rectangle 的構(gòu)造函數(shù)。

#include "rect.h" #include   // Rectangle 虛函數(shù)static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me);static void Rectangle_draw_(Shape const * const me); // 構(gòu)造函數(shù)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(diào)用基類的構(gòu)造函數(shù) me->super.vptr = &vtbl; // 重載 vptr me->width = width; me->height = height;} // Rectangle's 虛函數(shù)實現(xiàn)static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me) { Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //顯示的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)調(diào)用 有了前面虛表（Virtual Tables）和虛指針（Virtual Pointers）的基礎(chǔ)實現(xiàn)，虛擬調(diào)用（后期綁定）就可以用下面代碼實現(xiàn)了。

uint32_t Shape_area(Shape const * const me){ return (*me->vptr->area)(me);}

這個函數(shù)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(diào)用都有額外的調(diào)用開銷。為了避免這個缺點，如果編譯器支持內(nèi)聯(lián)函數(shù)（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(shù)來實現(xiàn)，類似下面這樣：

#define Shape_area(me_) ((*(me_)->vptr->area)((me_)))

看一下例子中的調(diào)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(jié)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(jié)

還是那句話，面向?qū)ο缶幊淌且环N方法，并不局限于某一種編程語言。用 C 語言實現(xiàn)封裝、單繼承，理解和實現(xiàn)起來比較簡單，多態(tài)反而會稍微復(fù)雜一點，如果打算廣泛的使用多態(tài)，還是推薦轉(zhuǎn)到 C++ 語言上，畢竟這層復(fù)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(xiàn)不了多態(tài)這個特性。