1、引言
面向对象编程(OOP)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。很多面向对象的编程语言已经包含这三个特性了，例如Smalltalk、C++、Java。但是你也可以用几乎所有的编程语言来实现面向对象编程，例如ANSI-C。要记住，面向对象是一种思想，一种方法，不要太拘泥于编程语言。
2、封装
封装就是把数据和方法打包到一个类里面。其实C语言编程者应该都已经接触过了，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。
3、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
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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"#includeintmain(){
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)
4、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#includestructShapeVtbl;//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
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虚函数类图
4.1虚表和虚指针
虚表(VirtualTable)是这个类所有虚函数的函数指针的集合。
虚指针(VirtualPointer)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《InsideTheC++ObjectModel》的第一章内容中，有这些介绍。
4.2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
{uint32_tarea=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
{
Shape_draw(shapes[i]);//虚函数调用
}
}
注释比较清晰，这里不再多做解释。
4.3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);
}
4.4虚函数调用
有了前面虚表(VirtualTables)和虚指针(VirtualPointers)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：
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虚拟调用机制
4.5main.c#include"rect.h"#include"circle.h"#includeintmain(){
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)
5、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你封装了，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。
