【實(shí)戰(zhàn)】到底什么是C語言對象編程?

ID：技術(shù)讓夢想更偉大

作者：ZhengNL

整理:李肖遙

前言

在之前肖遙分享寫過一篇關(guān)于面都對象的文章，真的可以，用C語言實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο缶幊蘋OP , 本篇肖遙給大家整理了ZhengNL三合一的一篇面對對象的文章，例子也很通俗易懂，希望對大家有幫助。

C語言雖不是面向?qū)ο蟮恼Z言，但也可以使用面向?qū)ο蟮乃枷雭碓O(shè)計(jì)我們的程序。

C語言 + 面向?qū)ο蟮乃枷?/code>在我們嵌入式中使用得很廣泛，主要優(yōu)點(diǎn)就是能使我們的軟件拓展性更好、更易讀、更容易維護(hù)等。

因?yàn)檫@一塊知識也比較重要，屬于通用知識，所以打算分享幾篇筆記與大家一起學(xué)習(xí)一下。

當(dāng)然，C語言并不是面向?qū)ο蟮恼Z言，要想完全實(shí)現(xiàn)與C++一樣的一些面向?qū)ο蟮奶匦詴容^難。所以我們分享的內(nèi)容也面向基礎(chǔ)、實(shí)用的為主。

封裝與抽象

封裝性是面向?qū)ο缶幊痰娜筇匦裕ǚ庋b性、繼承性、多態(tài)性）之一，但也是最重要的特性。封裝+抽象相結(jié)合就可以對外提供一個低耦合的模塊。

數(shù)據(jù)封裝是一種把數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的函數(shù)捆綁在一起的機(jī)制，數(shù)據(jù)抽象是一種僅向用戶暴露接口而把具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隱藏起來的機(jī)制。

在C語言中，數(shù)據(jù)封裝可以從結(jié)構(gòu)體入手，結(jié)構(gòu)體里可以放數(shù)據(jù)成員和操作數(shù)據(jù)的函數(shù)指針成員。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)體里也可以只包含著要操作的數(shù)據(jù)。

下面以一個簡單的實(shí)例作為演示。

設(shè)計(jì)一個軟件模塊，模塊中要操作的對象是長方形，需要對外提供的接口有：

1、創(chuàng)建長方形對象；

2、設(shè)置長、寬；

3、獲取長方形面積；

4、打印長方形的信息（長、寬、高）；

5、刪除長方形對象。

下面我們來一起完成這個demo代碼。首先，我們思考一下，我們的接口命名大概是怎樣的？其實(shí)這是有規(guī)律可循的，我們看RT-Thread的面向?qū)ο蠼涌谑窃趺丛O(shè)計(jì)的：

我們也模仿這樣子的命名形式來給我們這個demo的幾個接口命名：

1、rect_create
2、rect_set
3、rect_getArea
4、rect_display
5、rect_delete

我們建立一個rect.h的頭文件，在這里聲明我們對外提供的幾個接口。這時候我們頭文件可以設(shè)計(jì)為：

這樣做是沒有什么問題的。可是數(shù)據(jù)隱藏得不夠好，我們提供給外部用的東西要盡量簡單。

我們可以思考一下，對于C語言的文件操作，C語言庫給我們提供怎么樣的文件操作接口？如：

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FILE?*fopen(const?char?*pathname,?const?char?*mode);
size_t?fread(void?*ptr,?size_t?size,?size_t?nmemb,?FILE?*stream);

我們會創(chuàng)建一個文件句柄（描述符），然后之后只要操作這個文件句柄就可以，我們不用關(guān)心FILE具體是怎么實(shí)現(xiàn)的。

什么是句柄？看一下百度百科的解釋：

我們也可以創(chuàng)建我們的對象句柄，對外提供的頭文件中只需暴露我們的對象句柄，不用暴露具體的實(shí)現(xiàn)。以上頭文件rect.h代碼可以修改為：

這里用到了void*，其為無類型指針，void *可以指向任何類型的數(shù)據(jù)。然后具體要操作怎么樣的結(jié)構(gòu)體可以在.c中實(shí)現(xiàn)：

下面我們依次實(shí)現(xiàn)上述五個函數(shù)：

1、rect_create函數(shù)

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/*?創(chuàng)建長方形對象?*/
HandleRect?rect_create(const?char?*object_name)
{
?printf(">>>>>>>>>>?%s:?%s?(line:?%d)?<<<<<<<<<<\n",?__FILE__,?__FUNCTION__,?__LINE__);

?/*?給rect結(jié)構(gòu)體變量分配內(nèi)存?*/
?pRect?rect?=?(pRect)malloc(sizeof(Rect));
?if?(NULL?==?rect)
?{
??//free(rect);
??//rect?=?NULL;
??abort();
?}
?/*?給rect->object_name字符串申請內(nèi)存?*/
?rect->object_name?=?(char*)malloc(strlen(object_name)?+?1);
?if?(NULL?==?rect->object_name)
?{
??//free(rect->object_name);
??//rect->object_name?=?NULL;
??abort();
?}

?/*?給結(jié)構(gòu)體各成員進(jìn)行初始化?*/
?strncpy(rect->object_name,?object_name,?strlen(object_name)?+?1);
?rect->length?=?0;
?rect->width?=?0;
?
?return?((HandleRect)rect);
}

rect對象創(chuàng)建函數(shù)：首先分配內(nèi)存，然后對rect結(jié)構(gòu)體各個成員進(jìn)行賦值操作，最后返回的是rect對象句柄。rect的object_name成員是個字符串，因此要單獨(dú)分配內(nèi)存。

2、rect_set函數(shù)

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/*?設(shè)置長方形對象長、寬?*/
void?rect_set(HandleRect?rect,?int?length,?int?width)
{
?printf(">>>>>>>>>>?%s:?%s?(line:?%d)?<<<<<<<<<<\n",?__FILE__,?__FUNCTION__,?__LINE__);
?if?(rect)
?{
??((pRect)rect)->length?=?length;
??((pRect)rect)->width?=?width;
?}
}

3、rect_getArea函數(shù)

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/*?獲取長方形對象面積?*/
int?rect_getArea(HandleRect?rect)
{
?return?(?((pRect)rect)->length?*?((pRect)rect)->width?);
}

4、rect_display函數(shù)

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/*?打印顯示長方形對象信息?*/
void?rect_display(HandleRect?rect)
{
?printf(">>>>>>>>>>?%s:?%s?(line:?%d)?<<<<<<<<<<\n",?__FILE__,?__FUNCTION__,?__LINE__);
?if?(rect)
?{
??printf("object_name?=?%s\n",?((pRect)rect)->object_name);
??printf("length?=?%d\n",?((pRect)rect)->length);
??printf("width?=?%d\n",?((pRect)rect)->width);
??printf("area?=?%d\n",?rect_getArea(rect));
?}
}

5、rect_delete函數(shù)

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void?rect_delete(HandleRect?rect)
{
?printf(">>>>>>>>>>?%s:?%s?(line:?%d)?<<<<<<<<<<\n",?__FILE__,?__FUNCTION__,?__LINE__);
?if?(rect)
?{
??free(((pRect)rect)->object_name);
??free(rect);
??((pRect)rect)->object_name?=?NULL;
??rect?=?NULL;
?}
}

rect對象刪除函數(shù)：主要是對創(chuàng)建函數(shù)中的malloc申請的內(nèi)存做釋放操作。

可以看到這五個對象接口主要包含三類：創(chuàng)建對象函數(shù)、操作函數(shù)、刪除對象函數(shù)。這里的操作函數(shù)就是rect_set函數(shù)、rect_getArea函數(shù)與rect_display函數(shù)，當(dāng)然還可以有其它更多的操作函數(shù)。

操作函數(shù)的特點(diǎn)是至少需要傳入一個表示對象的句柄，在函數(shù)的內(nèi)部再做實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行相應(yīng)的操作。

6、測試程序：

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#include?
#include?
#include?"rect.h"

int?main(void)
{
?HandleRect?rect?=?rect_create("rect_obj");??//?創(chuàng)建Rect對象句柄
?rect_set(rect,?20,?5);?????????//?設(shè)置?????
?rect_display(rect);????????????//?打印顯示?
?rect_delete(rect);?????????????//?刪除Rect對象句柄?
?
?return?0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

在基于對象的編程中，封裝性是最基礎(chǔ)也最重要的內(nèi)容。其對象主要包含兩方面內(nèi)容：屬性與方法。

在基于C語言的對象編程中，可以使用句柄來表示對象，即句柄指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員代表對象的屬性，實(shí)際操作句柄的函數(shù)則表示對象的方法。

繼承?

繼承簡單說來就是父親有的東西，孩子可以繼承過來。


當(dāng)創(chuàng)建一個類時，我們不需要重新編寫新的數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)，只需指定新建的類繼承了一個已有的類的成員即可。

這個已有的類稱為基類，新建的類稱為派生類。

繼承在C++ 中還會細(xì)分為很多，我們就不考慮那么多了，只分享比較簡單也比較實(shí)用的。

在C語言對象編程中，有兩種方法實(shí)現(xiàn)繼承：

第一種是：結(jié)構(gòu)體包含結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)繼承。

第二種是：利用私有指針實(shí)現(xiàn)繼承。

下面依舊以實(shí)例進(jìn)行分享：

結(jié)構(gòu)體包含結(jié)構(gòu)體

我們以上一篇筆記的例子為例繼續(xù)展開。上一篇的例子為：

假如我們要操作的對象變?yōu)殚L方體，長方體就可以繼承長方形的數(shù)據(jù)成員和函數(shù)，這樣就可以復(fù)用之前的一些代碼。具體操作看代碼：

1、結(jié)構(gòu)體

2、頭文件

3、長方體對象創(chuàng)建、刪除函數(shù)

4、操作函數(shù)

5、測試及測試結(jié)果

可見，長方體結(jié)構(gòu)體可以繼承長方形結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)、長方體對象相關(guān)操作也可以繼承長方形對象的相關(guān)操作。這樣可以就可以復(fù)用上一篇關(guān)于長方形對象操作的一些代碼，提高了代碼復(fù)用率。

利用私有指針實(shí)現(xiàn)繼承

在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部增加一個私有指針成員，這個私有成員可以達(dá)到擴(kuò)展屬性的作用，比如以上的Rect結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)為：

typedef?struct?_Rect
{
?char?*object_name;
?int?length;
?int?width;
?void*?private;?
}Rect,?*pRect;

這個private指針可以在創(chuàng)建對象的時候與其它拓展屬性做綁定。比如：

想要拓展的數(shù)據(jù)為：

帶拓展屬性的對象創(chuàng)建函數(shù)：

顯然，使用私有指針也是可以實(shí)現(xiàn)繼承的一種方式。

不過對于本例來說，使用私有指針來做繼承似乎弄得有點(diǎn)混亂，因?yàn)殚L方形的屬性大致就是只有長、寬，加了個高之后就不叫長方形了。

這個例子不太適合做演示，越演示越亂。。就不繼續(xù)演示下去了。我們大概知道有這樣一種方法就可以。

結(jié)構(gòu)體里包含一個私有指針成員在很多大牛的代碼中經(jīng)常都有看到，盡管可能不是實(shí)現(xiàn)對象繼承，所以應(yīng)盡量掌握。

多態(tài)

多態(tài)按字面的意思就是多種形態(tài)。當(dāng)類之間存在層次結(jié)構(gòu)，并且類之間是通過繼承關(guān)聯(lián)時，就會用到多態(tài)。

多態(tài)意味著調(diào)用成員函數(shù)時，會根據(jù)調(diào)用函數(shù)的對象的類型來執(zhí)行不同的函數(shù)。

比如關(guān)于多態(tài)的C++的例子（該C++代碼來自菜鳥教程）：

左右滑動查看全部代碼>>>

#include??
using?namespace?std;

//?基類??
class?Shape?
{
???protected:
??????int?width,?height;
???public:
??????Shape(?int?a=0,?int?b=0)
??????{
?????????width?=?a;
?????????height?=?b;
??????}
??????virtual?int?area()
??????{
?????????cout?<"Parent?class?area"?<<endl;
?????????return?0;
??????}
};

//?派生類Rectangle
class?Rectangle:?public?Shape
{
???public:
??????Rectangle(?int?a=0,?int?b=0):Shape(a,?b)?{?}
??????int?area?()
??????{?
?????????cout?<"Rectangle?class?area"?<<endl;
?????????return?(width?*?height);?
??????}
};

//?派生類Triangle
class?Triangle:?public?Shape
{
???public:
??????Triangle(?int?a=0,?int?b=0):Shape(a,?b)?{?}
??????int?area?()
??????{?
?????????cout?<"Triangle?class?area"?<<endl;
?????????return?(width?*?height?/?2);?
??????}
};

//?程序的主函數(shù)
int?main(?)
{
???Shape?*shape;
???Rectangle?rec(10,7);
???Triangle??tri(10,5);
?
???//?存儲矩形的地址
???shape?=?&rec;
???//?調(diào)用矩形的求面積函數(shù)?area
???shape->area();
?
???//?存儲三角形的地址
???shape?=?&tri;
???//?調(diào)用三角形的求面積函數(shù)?area
???shape->area();
???
???return?0;
}

編譯、運(yùn)行結(jié)果為：

代碼中用到了一個關(guān)鍵字：virtual，這是C++的關(guān)鍵字?；愔杏胿irtual關(guān)鍵字修飾的函數(shù)叫做虛函數(shù)。

這虛函數(shù)有點(diǎn)像弱定義的感覺，先定義一個弱的/虛的函數(shù)，其它地方再定義同名的真的函數(shù)，實(shí)際用的是真的函數(shù)。

該例中，在派生類中重新定義基類中定義的虛函數(shù)area時，會告訴編譯器不要靜態(tài)鏈接到該函數(shù)，而是根據(jù)所調(diào)用的對象類型來選擇調(diào)用真正的函數(shù)。

假如這個例子中不使用virtual來修飾基類中的area函數(shù)，則上例輸出結(jié)果則為：

顯然，如果沒有virtual來修飾的話，用到的都是基類中的area。

本篇筆記我們還需要知道一個知識：虛函數(shù)表。具體介紹如（圖片截圖自百度百科）：

本篇筆記關(guān)于C++相關(guān)知識的就不再拓展，感興趣的朋友可自行查資料進(jìn)行學(xué)習(xí)。下面來看看C語言中怎么來實(shí)現(xiàn)上訴的例子：

C語言多態(tài)實(shí)例分析

這一節(jié)我們用C語言來實(shí)現(xiàn)上述例子的功能。下面看具體實(shí)現(xiàn)：

1、虛函數(shù)表

首先，我們可以使用函數(shù)指針來模擬C++的虛函數(shù)表：

/*?模擬C++的虛函數(shù)表?*/
typedef?struct?_Ops
{
?int?(*area)(void);
}Ops;

2、基類Shape：

/*?基類?*/??
typedef?struct?_Shape?
{
?Ops?ops;
?int?width;
?int?height;
}Shape;

3、派生類Rectangle、Triangle

/*?派生類Rectangle?*/
typedef?struct?_Rectangle
{
?Shape?shape;
?char?rectangle_name[20];
}Rectangle;

/*?派生類Triangle?*/
typedef?struct?_Triangle
{
?Shape?shape;
?char?triangle_name[20];
}Triangle;

4、兩個派生類對應(yīng)的area函數(shù)

/*?Rectangle的area函數(shù)?*/
int?rectangle_area(void)
{
?printf("Rectangle?class?area\n");
}

/*?Triangle的area函數(shù)?*/
int?triangle_area(void)
{
?printf("Triangle?class?area\n");
}

5、主函數(shù)/測試函數(shù)

左右滑動查看全部代碼>>>

/*?主函數(shù)?*/
int?main(void)
{
?Rectangle?rectangle;
?memset(&rectangle,?0,?sizeof(Rectangle));
?rectangle.shape.ops.area?=?rectangle_area;?/*?與自己的area函數(shù)做綁定?*/

?Triangle?triangle;
?memset(&triangle,?0,?sizeof(Triangle));
?triangle.shape.ops.area?=?triangle_area;?/*?與自己的area函數(shù)做綁定?*/

?Shape?*shape;

?shape?=?(Shape*)&rectangle;
?shape->ops.area();

?shape?=?(Shape*)▵
?shape->ops.area();
?
?return?0;
}

編譯、運(yùn)行結(jié)果為：

與C++例子中得到的結(jié)果是一樣的。即父類指針shape來操作兩個子類時，使用相同的接口時調(diào)用了不同的函數(shù)：

以上實(shí)現(xiàn)了簡單的多態(tài)的功能。

這個例子中我們的操作函數(shù)（虛函數(shù)）只有一個，即area函數(shù)。

假如有多個操作函數(shù)，我們可以再建個結(jié)構(gòu)體變量（函數(shù)表）把這些函數(shù)再包一層，這樣會更清晰些。

在這個例子中，有如下對應(yīng)關(guān)系：

因?yàn)檫@里只有一個操作函數(shù)，所以就沒有建立一個函數(shù)表來包裝一層了。我們可以再加一個函數(shù)表，如：

有多個函數(shù)的話，就更有必要構(gòu)建一個函數(shù)表了：

總結(jié)

C語言并不是面向?qū)ο蟮恼Z言，要想完全實(shí)現(xiàn)與C++一樣的一些面向?qū)ο蟮奶匦詴容^難，但是在嵌入式開發(fā)過程中，C語言又應(yīng)用廣泛，而在大型項(xiàng)目中，一個好的軟件框架可以幫助我們更有效的開發(fā)，所以面對對象的思想就顯得極其重要了。

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