一步步分析：C語言如何面向對象編程

這是道哥的第009篇原創

一、前言

在嵌入式開發中，C/C++語言是使用最普及的，在C++11版本之前，它們的語法是比較相似的，只不過C++提供了面向對象的編程方式。

雖然C++語言是從C語言發展而來的，但是今天的C++已經不是當年的C語言的擴展了，從2011版本開始，更像是一門全新的語言。

那麼沒有想過，當初為什麼要擴展出C++？C語言有什麼樣的缺點導致C++的產生？

C++在這幾個問題上的解決的確很好，但是隨着語言標準的逐步擴充，C++語言的學習難度也逐漸加大。沒有開發過幾個項目，都不好意思說自己學會了C++，那些左值、右值、模板、模板參數、可變模板參數等等一堆的概念，真的不是使用2，3年就可以熟練掌握的。

但是，C語言也有很多的優點：


其實最後一個優點是最重要的：使用的人越多，生命力就越強。就像現在的社會一樣，不是優者生存，而是適者生存。

![](//img2020.cnblogs.com/blog/1440498/202012/1440498-20201220171658610-314159968.png)

這篇文章，我們就來聊聊如何在C語言中利用面向對象的思想來編程。也許你在項目中用不到，但是也強烈建議你看一下，因為我之前在跳槽的時候就兩次被問到這個問題。

二、什麼是面向對象編程

有這麼一個公式：程序=數據結構+算法。

C語言中一般使用面向過程編程，就是分析出解決問題所需要的步驟，然後用函數把這些步驟一步一步調用，在函數中對數據結構進行處理(執行算法)，也就是說數據結構和算法是分開的。

C++語言把數據和算法封裝在一起，形成一個整體，無論是對它的屬性進行操作、還是對它的行為進行調用，都是通過一個對象來執行，這就是面向對象編程思想。

如果用C語言來模擬這樣的編程方式，需要解決3個問題：

  1. 數據的封裝
  2. 繼承
  3. 多態

第一個問題：封裝

封裝描述的是數據的組織形式，就是把屬於一個對象的所有屬性(數據)組織在一起，C語言中的結構體類型天生就支持這一點。

第二個問題：繼承

繼承描述的是對象之間的關係，子類通過繼承父類，自動擁有父類中的屬性和行為(也就是方法)。這個問題只要理解了C語言的內存模型，也不是問題，只要在子類結構體中的第一個成員變量的位置放置一個父類結構體變量，那麼子類對象就繼承了父類中的屬性。


另外補充一點：學習任何一種語言，一定要理解內存模型！

第三個問題：多態

按字面理解，多態就是「多種狀態」，描述的是一種動態的行為。在C++中，只有通過基類引用或者指針，去調用虛函數的時候才發生多態，也就是說多態是發生在運行期間的，C++內部通過一個虛表來實現多態。那麼在C語言中，我們也可以按照這個思路來實現。

如果一門語言只支持類，而不支持多態，只能說它是基於對象的，而不是面向對象的。

既然思路上沒有問題，那麼我們就來簡單的實現一個。

三、先實現一個父類，解決封裝的問題

Animal.h

#ifndef _ANIMAL_H_
#define _ANIMAL_H_

// 定義父類結構
typedef struct {
    int age;
    int weight;
} Animal;

// 構造函數聲明
void Animal_Ctor(Animal *this, int age, int weight);

// 獲取父類屬性聲明
int Animal_GetAge(Animal *this);
int Animal_GetWeight(Animal *this);

#endif

Animal.c

#include "Animal.h"

// 父類構造函數實現
void Animal_Ctor(Animal *this, int age, int weight)
{
    this->age = age;
    this->weight = weight;
}

int Animal_GetAge(Animal *this)
{
    return this->age;
}

int Animal_GetWeight(Animal *this)
{
    return this->weight;
}

測試一下：

#include <stdio.h>
#include "Animal.h"
#include "Dog.h"

int main()
{
    // 在棧上創建一個對象
    Animal a;  
    // 構造對象
    Animal_Ctor(&a, 1, 3); 
    printf("age = %d, weight = %d \n", 
            Animal_GetAge(&a),
            Animal_GetWeight(&a));
    return 0;
}

可以簡單的理解為：在代碼段有一塊空間，存儲着可以處理Animal對象的函數；在棧中有一塊空間，存儲着a對象。

與C++對比：
在C++的方法中，隱含着第一個參數this指針。當調用一個對象的方法時，編譯器會自動把對象的地址傳遞給這個指針。

所以，在Animal.h中函數我們就模擬一下，顯示的定義這個this指針，在調用時主動把對象的地址傳遞給它，這樣的話，函數就可以對任意一個Animal對象進行處理了。

四、 實現一個子類，解決繼承的問題

Dog.h

#ifndef _DOG_H_
#define _DOG_H_

#include "Animal.h"

// 定義子類結構
typedef struct {
    Animal parent; // 第一個位置放置父類結構
    int legs;      // 添加子類自己的屬性
}Dog;

// 子類構造函數聲明
void Dog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs);

// 子類屬性聲明
int Dog_GetAge(Dog *this);
int Dog_GetWeight(Dog *this);
int Dog_GetLegs(Dog *this);

#endif

Dog.c

#include "Dog.h"

// 子類構造函數實現
void Dog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs)
{
    // 首先調用父類構造函數，來初始化從父類繼承的數據
    Animal_Ctor(&this->parent, age, weight);
    // 然後初始化子類自己的數據
    this->legs = legs;
}

int Dog_GetAge(Dog *this)
{
    // age屬性是繼承而來，轉發給父類中的獲取屬性函數
    return Animal_GetAge(&this->parent);
}

int Dog_GetWeight(Dog *this)
{
    return Animal_GetWeight(&this->parent);
}

int Dog_GetLegs(Dog *this)
{
    // 子類自己的屬性，直接返回
    return this->legs;
}

測試一下：

int main()
{
    Dog d;
    Dog_Ctor(&d, 1, 3, 4);
    printf("age = %d, weight = %d, legs = %d \n", 
            Dog_GetAge(&d),
            Dog_GetWeight(&d),
            Dog_GetLegs(&d));
    return 0;
}

在代碼段有一塊空間，存儲着可以處理Dog對象的函數；在棧中有一塊空間，存儲着d對象。由於Dog結構體中的第一個參數是Animal對象，所以從內存模型上看，子類就包含了父類中定義的屬性。

Dog的內存模型中開頭部分就自動包括了Animal中的成員，也即是說Dog繼承了Animal的屬性。

五、利用虛函數，解決多態問題

在C++中，如果一個父類中定義了虛函數，那麼編譯器就會在這個內存中開闢一塊空間放置虛表，這張表裡的每一個item都是一個函數指針，然後在父類的內存模型中放一個虛表指針，指向上面這個虛表。

上面這段描述不是十分準確，主要看各家編譯器的處理方式，不過大部分C++處理器都是這麼乾的，我們可以想這麼理解。

子類在繼承父類之後，在內存中又會開闢一塊空間來放置子類自己的虛表，然後讓繼承而來的虛表指針指向子類自己的虛表。

既然C++是這麼做的，那我們就用C來手動模擬這個行為：創建虛表和虛表指針。

1. Animal.h為父類Animal中，添加虛表和虛表指針

#ifndef _ANIMAL_H_
#define _ANIMAL_H_

struct AnimalVTable;  // 父類虛表的前置聲明

// 父類結構
typedef struct {
    struct AnimalVTable *vptr; // 虛表指針
    int age;
    int weight;
} Animal;

// 父類中的虛表
struct AnimalVTable{
    void (*say)(Animal *this); // 虛函數指針
};

// 父類中實現的虛函數
void Animal_Say(Animal *this);

#endif

2. Animal.c

#include <assert.h>
#include "Animal.h"

// 父類中虛函數的具體實現
static void _Animal_Say(Animal *this)
{
    // 因為父類Animal是一個抽象的東西，不應該被實例化。
    // 父類中的這個虛函數不應該被調用，也就是說子類必須實現這個虛函數。
    // 類似於C++中的純虛函數。
    assert(0); 
}

// 父類構造函數
void Animal_Ctor(Animal *this, int age, int weight)
{
    // 首先定義一個虛表
    static struct AnimalVTable animal_vtbl = {_Animal_Say};
    // 讓虛表指針指向上面這個虛表
    this->vptr = &animal_vtbl;
    this->age = age;
    this->weight = weight;
}

// 測試多態：傳入的參數類型是父類指針
void Animal_Say(Animal *this)
{
    // 如果this實際指向一個子類Dog對象，那麼this->vptr這個虛表指針指向子類自己的虛表，
    // 因此，this->vptr->say將會調用子類虛表中的函數。
    this->vptr->say(this);
}

在棧空間定義了一個虛函數表animal_vtbl，這個表中的每一項都是一個函數指針，例如：函數指針say就指向了代碼段中的函數_Animal_Say()。
對象a的第一個成員vptr是一個指針，指向了這個虛函數表animal_vtbl。

3. Dog.h不變

4. Dog.c中定義子類自己的虛表

#include "Dog.h"

// 子類中虛函數的具體實現
static void _Dog_Say(Dog *this)
{
    printf("dag say \n");
}

// 子類構造函數
void Dog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs)
{
    // 首先調用父類構造函數。
    Animal_Ctor(&this->parent, age, weight);
    // 定義子類自己的虛函數表
    static struct AnimalVTable dog_vtbl = {_Dog_Say};
    // 把從父類中繼承得到的虛表指針指向子類自己的虛表
    this->parent.vptr = &dog_vtbl;
    // 初始化子類自己的屬性
    this->legs = legs;
}

5. 測試一下

int main()
{
    // 在棧中創建一個子類Dog對象
    Dog d;  
    Dog_Ctor(&d, 1, 3, 4);

    // 把子類對象賦值給父類指針
    Animal *pa = &d;
    
    // 傳遞父類指針，將會調用子類中實現的虛函數。
    Animal_Say(pa);
}

內存模型如下:

對象d中，從父類繼承而來的虛表指針vptr，所指向的虛表是dog_vtbl。

在執行Animal_Say(pa)的時候，雖然參數類型是指向父類Animal的指針，但是實際傳入的pa是一個指向子類Dog的對象，這個對象中的虛表指針vptr指向的是子類中自己定義的虛表dog_vtbl，這個虛表中的函數指針say指向的是子類中重新定義的虛函數_Dog_Say，因此this->vptr->say(this)最終調用的函數就是_Dog_Say。

基本上，在C中面向對象的開發思想就是以上這樣。
這個代碼很簡單，自己手敲一下就可以了。如果想偷懶，請在後台留言，我發給您。

六、C面向對象思想在項目中的使用

1. Linux內核

看一下關於socket的幾個結構體：

struct sock {
    ...
}

struct inet_sock {
    struct sock sk;
    ...
};

struct udp_sock {
    struct sock sk;
    ...
};

sock可以看作是父類，inet_sock和udp_sock的第一個成員都是是sock類型，從內存模型上看相當於是繼承了sock中的所有屬性。

2. glib庫

以最簡單的字符串處理函數來舉例：

GString *g_string_truncate(GString *string, gint len)
GString *g_string_append(GString *string, gchar *val)
GString *g_string_prepend(GString *string, gchar *val)
…

API函數的第一個參數都是一個GString對象指針，指向需要處理的那個字符串對象。

GString *s1, *s2;
s1 = g_string_new("Hello");
s2 = g_string_new("Hello");

g_string_append(s1," World!");
g_string_append(s2," World!");

3. 其他項目

還有一些項目，雖然從函數的參數上來看，似乎不是面向對象的，但是在數據結構的設計上看來，也是面向對象的思想，比如：

Modbus協議的開源庫libmodbus
用於家庭自動化的無線通訊協議ZWave
很久之前的高通手機開發平台BREW

【原創聲明】

作者：道哥(公眾號: IOT物聯網小鎮)

知乎：道哥

B站：道哥分享

掘金：道哥分享

CSDN：道哥分享

如果覺得文章不錯，請轉發、分享給您的朋友。

我會把十多年嵌入式開發中的項目實戰經驗進行總結、分享，相信不會讓你失望的！

長按下圖二維碼關注，花20秒鐘了解一下也沒什麼損失，萬一是個適合你的寶藏公眾號呢！


轉載：歡迎轉載，但未經作者同意，必須保留此段聲明，必須在文章中給出原文連接。

推薦閱讀

[1] 原來gdb的底層調試原理這麼簡單
[2] 生產者和消費者模式中的雙緩衝技術
[3] 深入LUA腳本語言，讓你徹底明白調試原理

Tags:

VirMach 便宜 VPS

QNews

QNews