C语言实现行为继承与状态机设计

C语言实现行为继承与状态机设计

背景简介

在软件开发中，状态机（State Machine）是处理复杂逻辑的一种有效工具，而行为继承（Behavioral Inheritance）则是面向对象设计中的一种重要模式。本书的第19章和第4章详细介绍了如何在C语言中实现行为继承和状态机设计，即使C语言本身不支持面向对象编程的特性。

C实现行为继承

在C++中，行为继承通过数据抽象和继承来实现，这两种机制可以被看作是相对低层次的元模式。在本章中，作者指出行为继承可以在任何编程语言中实现，包括C。为了在C中实现类似C++的面向对象特性，作者提出了一种名为“C+”的技术，通过一系列惯用法和预处理器宏来模拟C++的对象模型。

QHsm类在“C+”中

“C+”版本的QHsm类展示了如何在C中实现面向对象的类。QHsm类继承自Object类，并且具备状态处理和事件分发的方法。通过使用VTABLE和VPTR技术，QHsm类在C中模拟了多态性。

SUBCLASS(QHsm, Object)           /* Hierarchical State Machine base class */
    QState state__;                                    /* the active state */
    QState source__;                   /* source state during a transition */
    VTABLE(QHsm, Object)
    ...

QHsm构造函数和析构函数

在“C+”中，构造函数和析构函数需要显式地编写代码，这在C++中是由编译器自动生成的。构造函数需要定义并初始化类的VTABLE，构造由父类控制的对象部分，并连接虚拟指针。析构函数则显式销毁由父类控制的对象部分。

void QHsmCtor_(QHsm *me, QPseudoState initial) {
    ObjectCtor_(&me->super); // 构造超类
    VHOOK(QHsm); // 为这个类钩住VPTR
    me->state__ = QHsm_top; // 初始化属性...
}

状态图示例在C中

在本章的最后部分，作者提供了一个在“C+”中实现的状态图示例。这个示例展示了如何在C中通过继承QHsm类来定义状态机的行为和拓扑结构。

SUBCLASS(QHsmTst, QHsm)
    int foo__;                          /* private extended state variable */
    ...

C+状态处理方法和指针成员函数

在“C+”中，状态处理方法的声明与C++类似，但需要显式地声明指向成员的指针。这允许在C中模拟C++中的成员函数调用。

typedef void (*QPseudoState)(struct QHsm *, QEvent const *);
typedef QPseudoState (*QState)(struct QHsm *, QEvent const *);

总结与启发

通过本章的学习，我们可以了解到在C语言中实现面向对象设计模式的可能性。虽然C语言本身不支持面向对象的特性，但通过一些编程技巧和惯用法，我们仍然可以在C中模拟这些特性。这对那些需要在资源受限的环境中使用C语言进行开发的开发者来说，是一个宝贵的资源。

此外，本章还提供了一种在C语言中实现状态机的方法，这对于实时系统和嵌入式系统开发尤为重要。通过这种方式，开发者可以在C语言的约束下，构建出结构清晰、易于维护的状态机。

代码实践与扩展阅读

本章的代码实践部分提供了一个完整的状态机实现示例，包括如何在C中定义状态机、如何处理事件以及如何通过状态转换来驱动状态机的运行。通过实际编写和运行代码，开发者可以更加深刻地理解状态机的工作原理以及面向对象设计模式在C语言中的实现方式。

为了深入理解C++到“C+”的转换过程，建议读者参阅附录A中的技术描述，并尝试将C++中定义的状态机转换为“C+”代码。此外，通过实现练习4.13和4.14，可以加深对状态处理方法和指针成员函数的理解，并进一步熟悉“C+”的编程模式。

通过本章的学习和实践，开发者可以更加灵活地在C语言中运用面向对象的设计思想，同时提高在资源受限环境下的编程能力。