C語言的高級(jí)用法，面向?qū)ο?/h1>

發(fā)布人：xiaomaidashu 時(shí)間：2022-06-22 來源：工程師

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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(shí)比較簡(jiǎn)單。隨著應(yīng)用需求和場(chǎng)景的變化，C語言的語法功能在不斷升級(jí)變化。

雖然我們的教材有這么一個(gè)結(jié)論：C語言是面向過程的語言，C++是面向?qū)ο蟮木幊陶Z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(jì)方法、設(shè)計(jì)思想，它表現(xiàn)出來的三個(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(xiàn)OOP   

閱讀文本之前肯定有讀者會(huì)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(shí)現(xiàn)面向?qū)ο竽兀?/p>

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?/p>

只是用面向?qū)ο蟮腃++語言來實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο缶幊虝?huì)更簡(jiǎn)單一些，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(dāng)然使用C語言來實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮拈_發(fā)相對(duì)不容易理解，這就是為什么大多數(shù)人學(xué)過C語言卻看不懂Linux內(nèi)核源碼。

所以這個(gè)問題其實(shí)很好理解，只要有一定C語言編程經(jīng)驗(yàn)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(yùn)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。

2、所具備的條件   

要想使用C語言實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο?，首先需要具備一些基礎(chǔ)知識(shí)。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(shí)，而是有一定的編程經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)樯厦嬲f了“面向?qū)ο笫且环N設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)思想”，如果只是停留在字面意思的理解，沒有這種設(shè)計(jì)思想肯定不行。

因此，不建議初學(xué)者使用C語言實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο?，特別是在真正項(xiàng)目中。建議把基本功練好，再使用。

利用C語言實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮姆椒ê芏啵旅婢蛠砻枋鲎罨镜姆庋b、繼承和多態(tài)。

3、封裝  

封裝就是把數(shù)據(jù)和函數(shù)打包到一個(gè)類里面，其實(shí)大部分C語言編程者都已近接觸過了。

C 標(biāo)準(zhǔn)庫中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函數(shù)的操作對(duì)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(gè)看起來似乎很好理解，那下面我們實(shí)現(xiàn)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(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(jiǎn)單，很好理解。一般會(huì)把聲明放到頭文件里面 “Shape.h”。來看下 Shape 類相關(guān)的定義，當(dāng)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 <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(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(gè)例子，非常簡(jiǎn)單，非常好理解。以后寫代碼時(shí)候，要多去想想標(biāo)準(zhǔn)庫的文件IO操作，這樣也有意識(shí)的去培養(yǎng)面向?qū)ο缶幊痰乃季S。

4、繼承  

繼承就是基于現(xiàn)有的一個(gè)類去定義一個(gè)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(shí)現(xiàn)單繼承也非常簡(jiǎn)單，只要把基類放到繼承類的第一個(gè)數(shù)據(jù)成員的位置就行了。
例如，我們現(xiàn)在要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè) 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?yàn)橛羞@樣的內(nèi)存布局，所以你可以很安全的傳一個(gè)指向 Rectangle 對(duì)象的指針到一個(gè)期望傳入 Shape 對(duì)象的指針的函數(shù)中，就是一個(gè)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 <stdio.h> 
int main() 
{
    Rectangle r1, r2;
    // 實(shí)例化對(duì)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(qiáng)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)

5、多態(tài)   

C++ 語言實(shí)現(xiàn)多態(tài)就是使用虛函數(shù)。在 C 語言里面，也可以實(shí)現(xiàn)多態(tài)。
現(xiàn)在，我們又要增加一個(gè)圓形，并且在 Shape 要擴(kuò)展功能，我們要增加 area() 和 draw() 函數(shù)。但是 Shape 相當(dāng)于抽象類，不知道怎么去計(jì)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(jì)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 <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(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(gè)類所有虛函數(shù)的函數(shù)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(duì)象實(shí)例中，會(huì)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(gè)對(duì)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的構(gòu)造函數(shù)中。事實(shí)上，在構(gòu)造函數(shù)中，C++ 編譯器隱式的創(chuàng)建了一個(gè)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(gè) vptr。

#include "shape.h"
#include <assert.h>
// 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(shí)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(huì)自動(dòng)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 <stdio.h> 
// 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(shí)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(shí)現(xiàn)，虛擬調(diào)用（后期綁定）就可以用下面代碼實(shí)現(xiàn)了。

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

這個(gè)函數(shù)可以放到.c文件里面，但是會(huì)帶來一個(gè)缺點(diǎn)就是每個(gè)虛擬調(diào)用都有額外的調(diào)用開銷。為了避免這個(gè)缺點(diǎn)，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(diǎn)的編譯器（C89），我們可以用宏函數(shù)來實(shí)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(jī)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(duì)象
    Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15);
    Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);
    // 實(shí)例化圓形對(duì)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)

6、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(shí)現(xiàn)封裝、單繼承，理解和實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，多態(tài)反而會(huì)稍微復(fù)雜一點(diǎn)，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(gè)語言給封裝了，你只需要簡(jiǎn)單的使用就行了。但并不代表，C 語言實(shí)現(xiàn)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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