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C實現類封裝、繼承、多型

阿新 • • 發佈：2019-03-09

開發十年，就只剩下這套架構體系了！ >>>   

1、  概述

 

C語言是一種面向過程的程式設計語言，而C++是在C語言基礎上衍生來了的面向物件的語言，實際上，很多C++實現的底層是用C語言實現的，如在Visual C++中的Interface其實就是struct，查詢Interface的定義，你可以發現有這樣的巨集定義：

#ifndef Interface

#define Interface struct

#endif

C++在語言級別上添加了很多新機制（繼承，多型等），而在C語言中，我們也可以使用這樣的機制，前提是我們不得不自己實現。

本文介紹了用C語言實現封裝，繼承和多型的方法。

2、  基本知識

在正式介紹C語言實現封裝，繼承和多型事前，先介紹一下C語言中的幾個概念和語法。

（1）    結構體

在C語言中，常把一個物件用結構體進行封裝，這樣便於對物件進行操作，比如：

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strcut Point{

 

int

 x;

 

int y;

 

};

結構體可以巢狀。因而可以把一個結構體當成另一個結構體的成員，如：

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struct Circle {

 

struct Point point_;

 

int radius;

 

};

該結構體與以下定義完全一樣（包括記憶體佈置都一樣）：

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struct Circle {

 

int x;

 

int y;

 

int radius;

 

};

（2）    函式指標

函式指標是指標的一種，它指向函式的首地址（函式的函式名即為函式的首地址），可以通過函式指標來呼叫函式。

如函式：

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

可以這樣宣告函式指標：

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

這樣使用：

pFunc = func;

(*pFunc)(a, n);【或者PFunc(a, n)】

可以用typedef定義一個函式指標型別，如：

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

可以這樣使用：

int cal_a(FUNC fptr, int a[], int n)

{

//實現體

}

（3）    extern與static

extern和static是C語言中的兩個修飾符，extern可用於修飾函式或者變數，表示該變數或者函式在其他檔案中進行了定義；static也可用於修飾函式或者變數，表示該函式或者變數只能在該檔案中使用。可利用它們對資料或者函式進行隱藏或者限制訪問許可權。

3、  封裝

在C語言中，可以用結構+函式指標來模擬類的實現，而用這種結構定義的變數就是物件。

封裝的主要含義是隱藏內部的行為和資訊，使用者只用看到對外提供的介面和公開的資訊。有兩種方法實現封裝：

(1)    利用C語言語法。在標頭檔案中宣告，在C檔案中真正定義它。

這樣可以隱藏內部資訊，因為外部不知道物件所佔記憶體的大小，所以不能靜態的建立該類的物件，只能呼叫類提供的建立函式才能建立。這種方法的缺陷是不支援繼承，因為子類中得不到任何關於父類的資訊。如：

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//標頭檔案：point.h

 

#ifndef POINT_H

 

#define POINT_H

 

struct Point;

 

typedef struct Point point;

 

point * new_point(); //newer a point object

 

void free_point(point *point_);// free the allocated space

 

#endif

 

//C檔案:point.c

 

#include”point.h”

 

strcut Point

 

{

 

int x;

 

int y;

 

};

 

point * new_point()

 

{

 

point * new_point_ = (point *) malloc(sizeof(point));

 

return new_point_;

 

}

 

void free_point(point *point_)

 

{

 

if(point_ == NULL)

 

return;

 

free(point_);

 

}

(2)    把私有資料資訊放在一個不透明的priv變數或者結構體中。只有類的實現程式碼才知道priv或者結構體的真正定義。如:

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#ifndef POINT _H

 

#define POINT_H

 

typedef struct Point point;

 

typedef struct pointPrivate pointPrivate;

 

strcut Point

 

{

 

Struct pointPrivate *pp;

 

};

 

int get_x(point *point_);

 

int get_y(point *point_);

 

point * new_point(); //newer a point object

 

void free_point(point *point_);// free the allocated space

 

#endif

 

//C檔案:point.c

 

#include”point.h”

 

struct pointPrivate

 

{

 

int x;

 

int y;

 

}

 

int get_x(point *point_)

 

{

 

return point_->pp->x;

 

}

 

int get_y(point *point_)

 

{

 

return point_->pp->y;

 

}

 

//others…..

4、  繼承

在C語言中，可以利用“結構在記憶體中的佈局與結構的宣告具有一致的順序”這一事實實現繼承。

比如我們要設計一個作圖工具，其中可能涉及到的物件有Point(點)，Circle(圓)，由於圓是由點組成的，所有可以看成Circle繼承自Point。另外，Point和Circle都需要空間申請，空間釋放等操作，所有他們有共同的基類Base。

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//記憶體管理類new.h

 

#ifndef NEW_H

 

#define NEW_H

 

void * new (const void * class, ...);

 

void delete (void * item);

 

void draw (const void * self);

 

#endif

 

//記憶體管理類的C檔案：new.c

 

#include “new.h”

 

#include “base.h”

 

void * new (const void * _base, ...)

 

{

 

const struct Base * base = _base;

 

void * p = calloc(1, base->size);

 

assert(p);

 

* (const struct Base **) p = base;

 

if (base ->ctor)

 

{

 

va_list ap;

 

va_start(ap, _base);

 

p = base ->ctor(p, &ap);

 

va_end(ap);

 

}

 

return p;

 

}

 

void delete (void * self)

 

{

 

const struct Base ** cp = self;

 

if (self && * cp && (* cp) —> dtor)

 

self = (* cp) —>dtor(self);

 

free(self);

 

}

 

void draw (const void * self)

 

{

 

const struct Base * const * cp = self;

 

assert(self &&* cp && (* cp)->draw);

 

(* cp) ->draw(self);

 

}

 

//基類：base.h

 

#ifndef BASE_H

 

#define BASE_H

 

struct Base

 

{

 

size_t size; //類所佔空間

 

void * (* ctor) (void * self, va_list * app); //建構函式

 

void * (* dtor) (void * self); //解構函式

 

void (* draw) (const void * self); //作圖

 

};

 

#endif

 

//Point標頭檔案(對外提供的介面)：point.h

 

#ifndef   POINT_H

 

#define  POINT_H

 

extern const void * Point;                /* 使用方法：new (Point, x, y); */

 

#endif

 

//Point內部標頭檔案(外面看不到)：point.r

 

#ifndef POINT_R

 

#define POINT_R

 

struct Point

 

{

 

const void * base; //繼承，基類指標，放在第一個位置，const是防止修改

 

int x, y;        //座標

 

};

 

#endif

 

//Point的C檔案：point.c

 

#include “point.h”

 

#include “new.h”

 

#include “point.h”

 

#include “point.r”

 

static void * Point_ctor (void * _self, va_list * app)

 

{

 

struct Point * self = _self;

 

self ->x = va_arg(* app, int);

 

self ->y = va_arg(* app, int);

 

return self;

 

}

 

static void Point_draw (const void * _self)

 

{

 

const struct Point * self = _self;

 

printf(“draw (%d,%d)”, self -> x, self -> y);

 

}

 

static const struct Base _Point = {

 

sizeof(struct Point), Point_ctor, 0, Point_draw

 

};

 

const void * Point = & _Point;

 

//測試程式：main.c

 

#include “point.h”

 

#include “new.h”

 

int main (int argc, char ** argv)

 

{

 

void * p = new(Point, 1, 2);

 

draw(p);

 

delete(p);

 

}

同樣，Circle要繼承Point，則可以這樣：

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struct Circle

 

{

 

const struct Point point; //放在第一位，可表繼承

 

int radius;

 

};

5、  多型

可以是用C語言中的萬能指標void* 實現多型，接上面的例子：

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//測試main.c

 

void * p = new(Point, 1, 2);

 

void * pp = new(Circle, 1, 2);

 

draw(p); //draw函式實現了多型

 

draw(pp);

 

delete(p);

 

delete(pp);

6、  總結

C語言能夠模擬實現面嚮物件語言具有的特性，包括：多型，繼承，封裝等，現在很多開源軟體都了用C語言實現了這幾個特性，包括大型開源資料庫系統postgreSQL，可移植的C語言面向物件框架GObject，無線二進位制執行環境BREW。採用C語言實現多型，繼承，封裝，能夠讓軟體有更好的可讀性，可擴充套件性。

7、  參考資料

(1)        《C語言中extern和static用法》：

http://www.cnblogs.com/hishope/archive/2008/08/28/1278822.html

(2)        《三、使用GObject——私有成員和靜態變數》:

http://blog.csdn.net/wormsun/archive/2009/11/25/4874465.aspx

(3)        《技巧：用 C 語言實現程式的多型性》：

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-cpolym/index.html?ca=drs-

(4)        書籍《Object-Oriented Programming With ANSI-C》

8、  程式碼下載

本文中的程式碼可以在此處下載：程式碼下載

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