用C实现面向对象

    很多开发工程师都是从学习C语言的"Hello world!"开始的，都知道C语言中的指针是一把利剑，一不留意就伤了自个。但其C语言绝对是一个宗师级语言，这是不可否认的。
    由于我们开发的需要在多个平台上运行且需要面向对象的一些特性、所以特写此文章。权当抛砖引玉。
    
一、概述
     C语言是一种面向过程的程序设计语言、而C++在语言级别上添加了很多新机制（继承，多态等）
     因此这里说说使用C语言实现封装，继承和多态的方法。

二、基本知识


1、结构体


在C语言中，常把一个对象用结构体进行封装，这样便于对对象进行操作，比如：1
  strcut Point{
int x;
int y;
};




结构体可以嵌套。因而可以把一个结构体当成另一个结构体的成员:
  struct Circle { 
struct Point point_;
int radius;
};




该结构体与以下定义完全一样（包括内存布置都一样）:
struct Circle { 
int x; 
int y; 
int radius; 
};




2、函数指针


函数指针是指针的一种，它指向函数的首地址（函数的函数名即为函数的首地址），可以通过函数指针来调用函数。


如函数：


int func(int a[], int n);


可以这样声明函数指针：


int (*pFunc)(int a[], int n);


这样使用：


pFunc = func;


(*pFunc)(a, n);【或者PFunc(a, n)】


可以用typedef定义一个函数指针类型，如：


typdef int (*FUNC)(int a[], int n)


可以这样使用：


int cal_a(FUNC fptr, int a[], int n)
{
//实现体...
}


3、extern与static


extern和static是C语言中的两个修饰符，extern可用于修饰函数或者变量，表示该变量或者函数在其他文件中进行了定义；
static也可用于修饰函数或者变量，表示该函数或者变量只能在该文件中使用。可利用它们对数据或者函数进行隐藏或者限制访问权限。


三、封装


在C语言中，可以用结构+函数指针来模拟类的实现，而用这种结构定义的变量就是对象。


封装的主要含义是隐藏内部的行为和信息，使用者只用看到对外提供的接口和公开的信息。


有两种方法实现封装：


1、利用C语言语法。在头文件中声明，在C文件中真正定义它。


这样可以隐藏内部信息，因为外部不知道对象所占内存的大小，所以不能静态的创建该类的对象，只能调用类提供的创建函数才能创建。这种方法的缺陷是不支持继承，因为子类中得不到任何关于父类的信息。如：


/**
 * Point的头文件Point.h（对外提供接口）
 */
#ifndef POINT_H
#define POINT_H


extern const void * Point; /* new(Point, x, y); */


void move(void * point, int dx, int dy);


struct Point {
const void * base;  //继承Base类，基类指针，放在第一个位置，const是防止修改
int x, y; //坐标
};


#define point_x(p)(((const struct Point *)(p)) -> x)
#define point_y(p)(((const struct Point *)(p)) -> y)


#endif


 
//Point的源文件Point.c
#include <stdio.h>
#include "Point.h"
#include "cnew.h"
#include "Base.h"


/**********Point类自己的构造函数***********/
static void * Point_New(void * _self, va_list * app) {
struct Point * self = _self;
self->x = va_arg(*app, int);
self->y = va_arg(*app, int);
printf("Point_New self = %p \n", self);
return self;
}


/**********Point类自己的析构函数***********/
static void* Point_Delete(void * _self) {
printf("call Point_Delete self =%p \n", _self);
printf("@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ \n\n");
return NULL;
}


/**********Point类自己的绘图函数***********/
static void Point_Draw(const void * _self) {
const struct Point * self = _self;
printf("Point_Draw at %d,%d \n", self->x, self->y);
}


void move(void * _self, int dx, int dy) {
struct Point * self = _self;
printf("call move self =%p \n", _self);
self->x += dx;
self->y += dy;
}


static const struct Base _Point = { sizeof(struct Point), Point_New, Point_Delete, Point_Draw };
const void * Point = &_Point;


四、继承


在C语言中，可以利用“结构在内存中的布局与结构的声明具有一致的顺序”这一事实实现继承。


比如我们要设计一个作图工具，其中可能涉及到的对象有Point(点)，Circle(圆)，由于圆是由点组成的，所有可以看成Circle继承自Point。另外，Point和Circle都需要空间申请，空间释放等操作，所有他们有共同的基类Base。


#ifndef C_NEW_H
#define C_NEW_H


/**
 * 内存管理类头文件cnew.h（对外提供接口）
 */


void * cnew(const void * base, ...);


void cdelete(void * item);


void draw(const void * self);


#endif /* C_NEW_H */


 
/**
 * 内存管理类的源文件：cnew.c
 */
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdarg.h>
#include "cnew.h"
#include "Base.h"


void * cnew(const void * _class, ...) {
const struct Base * base = _class;
void * p = calloc(1, base->size);
assert(p);
*(const struct Base **) p = base;
if (base->constructor) {
va_list ap;
va_start(ap, _class);
p = base->constructor(p, &ap);
va_end(ap);
}
return p;
}


void cdelete(void * self) {
const struct Base ** cp = self;
if (self && *cp && (*cp)->destroy)
self = (*cp)->destroy(self);
free(self);
}


void draw(const void * self) {
const struct Base * const * cp = self;
assert(self && *cp && (*cp)->draw);
(*cp)->draw(self);
}
 
/**
 *  基类Base的内部头文件Base.r，对外隐藏
 */
#ifndef BASE_R
#define BASE_R


#include <stdarg.h>


struct Base {
size_t size;
void * (*constructor)(void * self, va_list * app); //构造函数
void * (*destroy)(void * self);  //析构函数
void (*draw)(const void * self);//作图函数
};


#endif


/**
 * Point的头文件Point.h（对外提供接口）
 */
#ifndef POINT_H
#define POINT_H


extern const void * Point; /* new(Point, x, y); */


void move(void * point, int dx, int dy);


struct Point {
const void * base;  //继承Base类，基类指针，放在第一个位置，const是防止修改
int x, y; //坐标
};


#define point_x(p)(((const struct Point *)(p)) -> x)
#define point_y(p)(((const struct Point *)(p)) -> y)


#endif


//Point的源文件Point.c
#include <stdio.h>
#include "Point.h"
#include "cnew.h"
#include "Base.h"


/**********Point类自己的构造函数***********/
static void * Point_New(void * _self, va_list * app) {
struct Point * self = _self;
self->x = va_arg(*app, int);
self->y = va_arg(*app, int);
printf("Point_New self = %p \n", self);
return self;
}


/**********Point类自己的析构函数***********/
static void* Point_Delete(void * _self) {
printf("call Point_Delete self =%p \n", _self);
printf("@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ \n\n");
return NULL;
}


/**********Point类自己的绘图函数***********/
static void Point_Draw(const void * _self) {
const struct Point * self = _self;
printf("Point_Draw at %d,%d \n", self->x, self->y);
}


void move(void * _self, int dx, int dy) {
struct Point * self = _self;
printf("call move self =%p \n", _self);
self->x += dx;
self->y += dy;
}


static const struct Base _Point = { sizeof(struct Point), Point_New, Point_Delete, Point_Draw };
const void * Point = &_Point;


/**
 * Circle的头文件Circle.h（对外提供接口）
 */


#ifndef CIRCLE_H
#define CIRCLE_H


#include "Point.h"


extern const void * Circle; /* new(Circle, x, y, rad) */


struct Circle {
const struct Point pbase;  //继承Point类，需放在第一位
int radius;
int (*area)(void *self);// 面积，扩展方法
};


#define circle_area(p) (((const struct Circle *)(p)) -> area(p))


#endif




/**
 * Circle的源文件Circle.c
 */
#include <stdio.h>
#include "Circle.h"
#include "cnew.h"
#include "Base.h"


/**********Circle类自己的扩展函数***********/
static int Circle_Area(void * _self) {
const struct Circle * self = _self;
printf("call Circle_Area self =%p \n", _self);
return self->radius * self->radius;
}


/**********Circle类自己的构造函数***********/
static void * Circle_New(void * _self, va_list * app) {
struct Circle * self = ((const struct Base *) Point)->constructor(_self, app);
self->radius = va_arg(*app, int);
self->area = Circle_Area;
printf("call Circle_New self =%p \n", _self);
return self;
}


/**********Circle类自己的构造函数***********/
static void* Circle_Delete(void * _self) {
printf("call Circle_Delete self =%p \n", _self);
printf("@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ \n\n");
return NULL;
}


/**********Circle类自己的绘图函数***********/
static void Circle_Draw(const void * _self) {
const struct Circle * self = _self;
int x = point_x(self);
int y = point_y(self);
printf("Circle_Draw at %d,%d rad %d \n", x, y, self->radius);
}


static const struct Base _Circle = { sizeof(struct Circle), Circle_New, Circle_Delete, Circle_Draw };
const void * Circle = &_Circle;






/**
 * 测试函数
 */


#include "Circle.h"
#include "cnew.h"


int oo_main(int argc, char ** argv) {
void * p;
int i;
for (i = 0; i < 2; i++) {
if (i == 0) {
p = cnew(Circle, 1, 2, 3);
circle_area(p);
} else {
p = cnew(Point, 1, 2);
}
draw(p);
move(p, 10, 20);
draw(p);
cdelete(p);
}
return 0;
}


/***********************************
 * 测试结果：
 *
 * Point_New self = 0x50a1d8
 * call Circle_New self =0x50a1d8
 * Circle_Draw at 1,2 rad 3
 * call move self =0x50a1d8
 * Circle_Draw at 11,22 rad 3
 * call Circle_Delete self =0x50a1d8
 *
 * Point_New self = 0x5096a0
 * Point_Draw at 1,2
 * call move self =0x5096a0
 * Point_Draw at 11,22
 * call Point_Delete self =0x5096a0
 *
 ************************************/


五、多态


可以是用C语言中的万能指针void* 实现多态，接上面的例子：


 //测试main.c
 
int oo_main(int argc, char ** argv) {
void * p;
int i;
for (i = 0; i < 2; i++) {
if (i == 0) {
p = cnew(Circle, 1, 2, 3);
circle_area(p);
} else {
p = cnew(Point, 1, 2);
}
draw(p);
move(p, 10, 20);
draw(p);
cdelete(p);
}
return 0;
}


六、总结


C语言能够模拟实现面向对象语言具有的特性，包括：多态，继承，封装等，现在很多开源软件都了用C语言实现了这几个特性，包括大型开源数据库系统postgreSQL，可移植的C语言面向对象框架GObject，无线二进制运行环境BREW。采用C语言实现多态，继承，封装，能够让软件有更好的可读性，可扩展性。


全部的测试代码：


http://download.youkuaiyun.com/detail/andyhuabing/8475335