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使C語言實作面向物件的三個要素，你掌握了嗎？

2020-11-12 05:56:32 後端開發

使C語言實作面向物件的三個要素，你掌握了嗎？?

 

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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語言是面向程序的語言，C++是面向物件的編程語言，但面向物件的概念是在C語言階段就有了，而且應用到了很多地方，比如某些作業系統內核、通信協議等，

 

面向物件編程，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、繼承與多型，

 

為什么要用C語言實作面向物件

 

閱讀文本之前肯定有讀者會問這樣的問題：我們有C++面向物件的語言，為什么還要用C語言實作面向物件呢？

 

C語言這種非面向物件的語言，同樣也可以使用面向物件的思路來撰寫程式的，只是用面向物件的C++語言來實作面向物件編程會更簡單一些，但是C語言的高效性是其他面向物件編程語言無法比擬的，

 

當然使用C語言來實作面向物件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內核原始碼，

 

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：面向程序的C語言和面向物件的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語言面向物件編程就顯得尤為重要，

 

具備條件

 

要想使用C語言實作面向物件，首先需要具備一些基礎知識，比如：（C語言中的）結構體、函式、指標，以及函式指標等，（C++中的）基類、派生、多型、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“面向物件是一種設計方法、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語言實作面向物件，特別是在真正專案中，建議把基本功練好，再使用，

 

利用C語言實作面向物件的方法很多，下面就來描述最基本的封裝、繼承和多型，

 

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封裝

 

封裝就是把資料和函式打包到一個類里面，其實大部分C語言編程者都已經接觸過了，

 

C 標準庫中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函式的操作物件就是 FILE，資料內容就是 FILE，資料的讀寫操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 類比于建構式，fclose() 就是解構式，

 

這個看起來似乎很好理解，那下面我們實作一下基本的封裝特性，

/n/n// Shape 的屬性/ntypedef struct {/n    int16_t x; /n    int16_t y; /n} Shape;/n/n// Shape 的操作函式，介面函式/nvoid Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y);/nvoid Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy);/nint16_t Shape_getX(Shape const * const me);/nint16_t Shape_getY(Shape const * const me);/n/n#endif /* SHAPE_H */","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">#ifndef SHAPE_H
#define SHAPE_H

#include <stdint.h>

// Shape 的屬性
typedef struct {
    int16_t x; 
    int16_t y; 
} Shape;

// Shape 的操作函式，介面函式
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 類的宣告，非常簡單，很好理解，一般會把宣告放到頭檔案里面 “Shape.h”，來看下 Shape 類相關的定義，當然是在 “Shape.c” 里面，

x = x;/n    me->y = y;/n}/n/nvoid Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy) /n{/n    me->x += dx;/n    me->y += dy;/n}/n/n// 獲取屬性值函式/nint16_t Shape_getX(Shape const * const me) /n{/n    return me->x;/n}/nint16_t Shape_getY(Shape const * const me) /n{/n    return me->y;/n}","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">#include "shape.h"

// 建構式
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;
}

// 獲取屬性值函式
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

  /* for printf() */n/nint main() /n{/n    Shape s1, s2; /* multiple instances of Shape */n/n    Shape_ctor(&s1, 0, 1);/n    Shape_ctor(&s2, -1, 2);/n/n    printf(/"Shape s1(x=%d,y=%d)//n/", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1));/n    printf(/"Shape s2(x=%d,y=%d)//n/", Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2));/n/n    Shape_moveBy(&s1, 2, -4);/n    Shape_moveBy(&s2, 1, -2);/n/n    printf(/"Shape s1(x=%d,y=%d)//n/", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1));/n    printf(/"Shape s2(x=%d,y=%d)//n/", Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2));/n/n    return 0;/n}","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">#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檔案IO操作，這樣也有意識地去培養面向物件編程的思維，

使C語言實作面向物件的三個要素，你掌握了嗎？?

 

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，去實作單繼承也非常簡單，只要把基類放到繼承類的第一個資料成員的位置就行了，

 

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 的宣告與定義：

#ifndef RECT_H
#define RECT_H

#include "shape.h" // 基類介面

// 矩形的屬性
typedef struct {
    Shape super; // 繼承 Shape

    // 自己的屬性
    uint16_t width;
    uint16_t height;
} Rectangle;

// 建構式
void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y,
                    uint16_t width, uint16_t height);

#endif /* RECT_H */
super, x, y);/n/n    /* next, you initialize the attributes added by this subclass... */n    me->width = width;/n    me->height = height;/n}/n","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">#include "rect.h"

// 建構式
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 的繼承關系和記憶體布局：

使C語言實作面向物件的三個要素，你掌握了嗎？?

 

因為有這樣的記憶體布局，所以你可以很安全的傳一個指向 Rectangle 物件的指標到一個期望傳入 Shape 物件的指標的函式中，就是一個函式的引數是 “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！

 /n/nint main() /n{/n    Rectangle r1, r2;/n/n    // 實體化物件/n    Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15);/n    Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);/n/n    printf(/"Rect r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)//n/",/n           Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super),/n           r1.width, r1.height);/n    printf(/"Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)//n/",/n           Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super),/n           r2.width, r2.height);/n/n    // 注意，這里有兩種方式，一是強轉型別，二是直接使用成員地址/n    Shape_moveBy((Shape *)&r1, -2, 3);/n    Shape_moveBy(&r2.super, 2, -1);/n/n    printf(/"Rect r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)//n/",/n           Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super),/n           r1.width, r1.height);/n    printf(/"Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)//n/",/n           Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super),/n           r2.width, r2.height);/n/n    return 0;/n}/n","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">#include "rect.h"  
#include <stdio.h> 

int main() 
{
    Rectangle r1, r2;

    // 實體化物件
    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，一是強轉型別，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)

 

多型

 

C++ 語言實作多型就是使用虛函式，在 C 語言里面，也可以實作多型，

 

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() 函式，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影像也是不一樣的，

 

下面讓我們重新宣告一下 Shape 類：

/n/nstruct ShapeVtbl;/n// Shape 的屬性/ntypedef struct {/n    struct ShapeVtbl const *vptr;/n    int16_t x; /n    int16_t y; /n} Shape;/n/n// Shape 的虛表/nstruct ShapeVtbl {/n    uint32_t (*area)(Shape const * const me);/n    void (*draw)(Shape const * const me);/n};/n/n// Shape 的操作函式，介面函式/nvoid Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y);/nvoid Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy);/nint16_t Shape_getX(Shape const * const me);/nint16_t Shape_getY(Shape const * const me);/n/nstatic inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) /n{/n    return (*me->vptr->area)(me);/n}/n/nstatic inline void Shape_draw(Shape const * const me)/n{/n    (*me->vptr->draw)(me);/n}/n/n/nShape const *largestShape(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes);/nvoid drawAllShapes(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes);/n/n#endif /* SHAPE_H */","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">#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 的操作函式，介面函式
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 */

 

看下加上虛函式之后的類關系圖：

使C語言實作面向物件的三個要素，你掌握了嗎？?

 

5.1 虛表和虛指標

虛表（Virtual Table）是這個類所有虛函式的函式指標的集合，

 

虛指標（Virtual Pointer）是一個指向虛表的指標，這個虛指標必須存在于每個物件實體中，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 在建構式中設定vptr

在每一個物件實體中，vptr 必須被初始化指向其 vtbl，最好的初始化位置就是在類的建構式中，事實上，在建構式中，C++ 編譯器隱式地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 的建構式里面，如何去初始化這個 vptr，

vptr->area)(me);}","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) {    return (*me->vptr->area)(me);}

 

5.3 繼承 vtbl 和 多載 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建構式中，下面是 Rectangle 的建構式，

 /n/n// Rectangle 虛函式/nstatic uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me);/nstatic void Rectangle_draw_(Shape const * const me);/n/n// 建構式/nvoid Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y,/n                    uint16_t width, uint16_t height)/n{/n    static struct ShapeVtbl const vtbl = /n    {/n        &Rectangle_area_,/n        &Rectangle_draw_/n    };/n    Shape_ctor(&me->super, x, y); // 呼叫基類的建構式/n    me->super.vptr = &vtbl;           // 多載 vptr/n    me->width = width;/n    me->height = height;/n}/n/n// Rectangle's 虛函式實作\nstatic uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me) \n{\n    Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //顯示的轉換\n    return (uint32_t)me_-&gt;width * (uint32_t)me_-&gt;height;\n}\n\nstatic void Rectangle_draw_(Shape const * const me) \n{\n    Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //顯示的轉換\n    printf(\&quot;Rectangle_draw_(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\\n\&quot;,\n           Shape_getX(me), Shape_getY(me), me_-&gt;width, me_-&gt;height);\n}&quot;,&quot;classes&quot;:[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">#include "rect.h"  
#include <stdio.h> 

// Rectangle 虛函式
static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me);
static void Rectangle_draw_(Shape const * const me);

// 建構式
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); // 呼叫基類的建構式
    me->super.vptr = &vtbl;           // 多載 vptr
    me->width = width;
    me->height = height;
}

// Rectangle's 虛函式實作
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 虛函式呼叫

有了前面虛表（Virtual Tables）和虛指標（Virtual Pointers）的基礎實作，虛擬呼叫（后期系結）就可以用下面代碼實作了，

vptr->area)(me);/n}","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">uint32_t Shape_area(Shape const * const me)
{
    return (*me->vptr->area)(me);
}

這個函式可以放到.c檔案里面，但是會帶來一個缺點就是每個虛擬呼叫都有額外的呼叫開銷，為了避免這個缺點，如果編譯器支持行內函式（C99），我們可以把定義放到頭檔案里面，類似下面：

vptr->area)(me);/n}","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">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），我們可以用宏函式來實作，類似下面這樣：

vptr->area)((me_)))","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">#define Shape_area(me_) ((*(me_)->vptr->area)((me_)))

 

看一下例子中的呼叫機制：

使C語言實作面向物件的三個要素，你掌握了嗎？?

 

5.5 main.c

 /n/nint main() /n{/n    Rectangle r1, r2; /n    Circle    c1, c2; /n    Shape const *shapes[] = /n    { /n        &c1.super,/n        &r2.super,/n        &c2.super,/n        &r1.super/n    };/n    Shape const *s;/n/n    // 實體化矩形物件/n    Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15);/n    Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);/n/n    // 實體化圓形物件/n    Circle_ctor(&c1, 1, -2, 12);/n    Circle_ctor(&c2, 1, -3, 6);/n/n    s = largestShape(shapes, sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));/n    printf(/"largetsShape s(x=%d,y=%d)//n/", Shape_getX(s), Shape_getY(s));/n/n    drawAllShapes(shapes, sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));/n/n    return 0;/n}","classes":[]}" data-cke-widget-upcasted="1" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="codeSnippet">#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;

    // 實體化矩形物件
    Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15);
    Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);

    // 實體化圓形物件
    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)

 

使C語言實作面向物件的三個要素，你掌握了嗎？?

 

總結

 

還是那句話，面向物件編程是一種方法，并不局限于某一種編程語言，用 C 語言實作封裝、單繼承，理解和實作起來比較簡單，多型反而會稍微復雜一點，如果打算廣泛的使用多型，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 語言實作不了多型這個特性，

 

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  • 【C++犯錯記錄】VS2019 MFC不懂的批量添加資源

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