C语言实现面向对象三大特性 : 封装、继承、多态

不知道有多少人去了解过语言的发展史，早期C语言的语法功能其实比较简单。随着应用需求和场景的变化，C语言的语法功能在不断升级变化。

虽然我们的教材有这么一个结论：C语言是面向过程的语言，C++是面向对象的编程语言，但面向对象的概念是在C语言阶段就有了，而且应用到了很多地方，比如某些操作系统内核、通信协议等。

面向对象编程，也就是大家说的OOP（Object Oriented Programming）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。

1、为什么用C实现OOP

阅读文本之前肯定有读者会问这样的问题：我们有C++面向对象的语言，为什么还要用C语言实现面向对象呢？

C语言这种非面向对象的语言，同样也可以使用面向对象的思路来编写程序的。只是用面向对象的C++语言来实现面向对象编程会更简单一些，但是C语言的高效性是其他面向对象编程语言无法比拟的。

当然使用C语言来实现面向对象的开发相对不容易理解，这就是为什么大多数人学过C语言却看不懂Linux内核源码。

所以这个问题其实很好理解，只要有一定C语言编程经验的读者都应该能明白：面向过程的C语言和面向对象的C++语言相比，代码运行效率、代码量都有很大差异。在性能不是很好、资源不是很多的MCU中使用C语言面向对象编程就显得尤为重要。

2、所具备的条件

要想使用C语言实现面向对象，首先需要具备一些基础知识。比如：（C语言中的）结构体、函数、指针，以及函数指针等，（C++中的）基类、派生、多态、继承等。

首先，不仅仅是了解这些基础知识，而是有一定的编程经验，因为上面说了“面向对象是一种设计方法、设计思想”，如果只是停留在字面意思的理解，没有这种设计思想肯定不行。

因此，不建议初学者使用C语言实现面向对象，特别是在真正项目中。建议把基本功练好，再使用。

利用C语言实现面向对象的方法很多，下面就来描述最基本的封装、继承和多态。

3、封装

封装就是把数据和函数打包到一个类里面，其实大部分C语言编程者都已近接触过了。

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。

#ifndefSHAPE_H
#defineSHAPE_H
#include
//Shape的属性
typedefstruct{
int16_tx;
int16_ty;
}Shape;
//Shape的操作函数，接口函数
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty);
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy);
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme);
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme);
#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
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty)
{
me->x=x;
me->y=y;
}
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy)
{
me->x+=dx;
me->y+=dy;
}
//获取属性值函数
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme)
{
returnme->x;
}
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme)
{
returnme->y;
}

再看下 main.c

#include"shape.h"/*Shapeclassinterface*/
#include/*forprintf()*/
intmain()
{
Shapes1,s2;/*multipleinstancesofShape*/
Shape_ctor(&s1,0,1);
Shape_ctor(&s2,-1,2);
printf("Shapes1(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s1),Shape_getY(&s1));
printf("Shapes2(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s2),Shape_getY(&s2));
Shape_moveBy(&s1,2,-4);
Shape_moveBy(&s2,1,-2);
printf("Shapes1(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s1),Shape_getY(&s1));
printf("Shapes2(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s2),Shape_getY(&s2));
return0;
}

编译之后，看看执行结果：

Shapes1(x=0,y=1)
Shapes2(x=-1,y=2)
Shapes1(x=2,y=-3)
Shapes2(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。

4、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：

#ifndefRECT_H
#defineRECT_H
#include"shape.h"//基类接口
//矩形的属性
typedefstruct{
Shapesuper;//继承Shape
//自己的属性
uint16_twidth;
uint16_theight;
}Rectangle;
//构造函数
voidRectangle_ctor(Rectangle*constme,int16_tx,int16_ty,
uint16_twidth,uint16_theight);
#endif/*RECT_H*/

#include"rect.h"
//构造函数
voidRectangle_ctor(Rectangle*constme,int16_tx,int16_ty,
uint16_twidth,uint16_theight)
{
/*firstcallsuperclass’ctor*/
Shape_ctor(&me->super,x,y);
/*next,youinitializetheattributesaddedbythissubclass...*/
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！

#include"rect.h"
#include
intmain()
{
Rectangler1,r2;
//实例化对象
Rectangle_ctor(&r1,0,2,10,15);
Rectangle_ctor(&r2,-1,3,5,8);
printf("Rectr1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r1.super),Shape_getY(&r1.super),
r1.width,r1.height);
printf("Rectr2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r2.super),Shape_getY(&r2.super),
r2.width,r2.height);
//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
Shape_moveBy((Shape*)&r1,-2,3);
Shape_moveBy(&r2.super,2,-1);
printf("Rectr1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r1.super),Shape_getY(&r1.super),
r1.width,r1.height);
printf("Rectr2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r2.super),Shape_getY(&r2.super),
r2.width,r2.height);
return0;
}

输出结果：

Rectr1(x=0,y=2,width=10,height=15)
Rectr2(x=-1,y=3,width=5,height=8)
Rectr1(x=-2,y=5,width=10,height=15)
Rectr2(x=1,y=2,width=5,height=8)

5、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：

#ifndefSHAPE_H
#defineSHAPE_H
#include
structShapeVtbl;
//Shape的属性
typedefstruct{
structShapeVtblconst*vptr;
int16_tx;
int16_ty;
}Shape;
//Shape的虚表
structShapeVtbl{
uint32_t(*area)(Shapeconst*constme);
void(*draw)(Shapeconst*constme);
};
//Shape的操作函数，接口函数
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty);
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy);
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme);
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme);
staticinlineuint32_tShape_area(Shapeconst*constme)
{
return(*me->vptr->area)(me);
}
staticinlinevoidShape_draw(Shapeconst*constme)
{
(*me->vptr->draw)(me);
}
Shapeconst*largestShape(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes);
voiddrawAllShapes(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes);
#endif/*SHAPE_H*/

看下加上虚函数之后的类关系图：

5.1 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。

5.2 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。

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。

#include"shape.h"
#include
//Shape的虚函数
staticuint32_tShape_area_(Shapeconst*constme);
staticvoidShape_draw_(Shapeconst*constme);
//构造函数
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty)
{
//Shape类的虚表
staticstructShapeVtblconstvtbl=
{
&Shape_area_,
&Shape_draw_
};
me->vptr=&vtbl;
me->x=x;
me->y=y;
}
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy)
{
me->x+=dx;
me->y+=dy;
}
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme)
{
returnme->x;
}
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme)
{
returnme->y;
}
//Shape类的虚函数实现
staticuint32_tShape_area_(Shapeconst*constme)
{
assert(0);//类似纯虚函数
return0U;//避免警告
}
staticvoidShape_draw_(Shapeconst*constme)
{
assert(0);//纯虚函数不能被调用
}
Shapeconst*largestShape(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes)
{
Shapeconst*s=(Shape*)0;
uint32_tmax=0U;
uint32_ti;
for(i=0U;i< nShapes; ++i) 
    {
        uint32_t area = Shape_area(shapes[i]);// 虚函数调用
        if (area >max)
{
max=area;
s=shapes[i];
}
}
returns;
}
voiddrawAllShapes(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes)
{
uint32_ti;
for(i=0U;i< nShapes; ++i) 
    {
        Shape_draw(shapes[i]); // 虚函数调用
    }
}

5.3 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。

#include"rect.h"
#include
//Rectangle虚函数
staticuint32_tRectangle_area_(Shapeconst*constme);
staticvoidRectangle_draw_(Shapeconst*constme);
//构造函数
voidRectangle_ctor(Rectangle*constme,int16_tx,int16_ty,
uint16_twidth,uint16_theight)
{
staticstructShapeVtblconstvtbl=
{
&Rectangle_area_,
&Rectangle_draw_
};
Shape_ctor(&me->super,x,y);//调用基类的构造函数
me->super.vptr=&vtbl;//重载vptr
me->width=width;
me->height=height;
}
//Rectangle's虚函数实现
staticuint32_tRectangle_area_(Shapeconst*constme)
{
Rectangleconst*constme_=(Rectangleconst*)me;//显示的转换
return(uint32_t)me_->width*(uint32_t)me_->height;
}
staticvoidRectangle_draw_(Shapeconst*constme)
{
Rectangleconst*constme_=(Rectangleconst*)me;//显示的转换
printf("Rectangle_draw_(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(me),Shape_getY(me),me_->width,me_->height);
}

5.4 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。

uint32_tShape_area(Shapeconst*constme)
{
return(*me->vptr->area)(me);
}

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：

staticinlineuint32_tShape_area(Shapeconst*constme)
{
return(*me->vptr->area)(me);
}

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：

#defineShape_area(me_)((*(me_)->vptr->area)((me_)))

看一下例子中的调用机制：

  5.5 main.c

#include"rect.h"
#include"circle.h"
#include
intmain()
{
Rectangler1,r2;
Circlec1,c2;
Shapeconst*shapes[]=
{
&c1.super,
&r2.super,
&c2.super,
&r1.super
};
Shapeconst*s;
//实例化矩形对象
Rectangle_ctor(&r1,0,2,10,15);
Rectangle_ctor(&r2,-1,3,5,8);
//实例化圆形对象
Circle_ctor(&c1,1,-2,12);
Circle_ctor(&c2,1,-3,6);
s=largestShape(shapes,sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));
printf("largetsShapes(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(s),Shape_getY(s));
drawAllShapes(shapes,sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));
return0;
}

输出结果：

largetsShapes(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、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。 文章来源：直接来源，嵌入式情报局

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审核编辑黄宇