不知道有多少人了解语言的发展史,早期C语言的语法功能其实比较简单,但随着应用需求和场景的变化,C语言的语法功能在不断升级变化。 虽然在教材里有这么一个结论:C语言是面向过程的语言,C++是面向对象的编程语言,但面向对象的概念是在C语言阶段就有了,而且应用到了很多地方,比如某些操作系统内核、通信协议等。 面向对象编程,也就是大家说的OOP(Object Oriented Programming)并不是一种特定的语言或者工具,它只是一种设计方法、设计思想,它表现出来的三个最基本的特性就是封装、继承与多态。 阅读文本之前肯定有读者会问这样的问题:我们有C++面向对象的语言,为什么还要用C语言实现面向对象呢? C语言这种非面向对象的语言,同样也可以使用面向对象的思路来编写程序的。只是用面向对象的C++语言来实现面向对象编程会更简单一些,但是C语言的高效性是其他面向对象编程语言无法比拟的。 当然使用C语言来实现面向对象的开发相对不容易理解,这就是为什么大多数人学过C语言却看不懂Linux内核源码。 所以这个问题其实很好理解,只要有一定C语言编程经验的读者都应该能明白:面向过程的C语言和面向对象的C++语言相比,代码运行效率、代码量都有很大差异。在性能不是很好、资源不是很多的MCU中使用C语言面向对象编程就显得尤为重要。 要想使用C语言实现面向对象,首先需要具备一些基础知识。比如:(C语言中的)结构体、函数、指针,以及函数指针等,(C++中的)基类、派生、多态、继承等。 首先,不仅仅是了解这些基础知识,而是有一定的编程经验,因为上面说了“面向对象是一种设计方法、设计思想”,如果只是停留在字面意思的理解,没有这种设计思想肯定不行。 因此,不建议初学者使用C语言实现面向对象,特别是在真正项目中。建议把基本功练好,再使用。 利用C语言实现面向对象的方法很多,下面就来描述最基本的封装、继承和多态。 封装就是把数据和函数打包到一个类里面,其实大部分C语言编程者都已近接触过了。 C 标准库中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函数的操作对象就是 FILE。数据内容就是 FILE,数据的读写操作就是 fread()、fwrite(),fopen() 类比于构造函数,fclose() 就是析构函数。 这个看起来似乎很好理解,那下面我们实现一下基本的封装特性。 #ifndef SHAPE_H #define SHAPE_H
#include <stdint.h>
// Shape 的属性 typedef struct { int16_t x; int16_t y; } Shape;
// Shape 的操作函数,接口函数 void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y); void Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy); int16_t Shape_getX(Shape const * const me); int16_t Shape_getY(Shape const * const me);
#endif /* SHAPE_H */
#include 'shape.h' /* Shape class interface */ #include <stdio.h> /* for printf() */
int main() { Shape s1, s2; /* multiple instances of Shape */
Shape_ctor(&s1, 0, 1); Shape_ctor(&s2, -1, 2);
printf('Shape s1(x=%d,y=%d)\n', Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1)); printf('Shape s2(x=%d,y=%d)\n', Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2));
Shape_moveBy(&s1, 2, -4); Shape_moveBy(&s2, 1, -2);
printf('Shape s1(x=%d,y=%d)\n', Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1)); printf('Shape s2(x=%d,y=%d)\n', Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2));
return 0; }
整个例子,非常简单,非常好理解。以后写代码时候,要多去想想标准库的文件IO操作,这样也有意识的去培养面向对象编程的思维。 继承就是基于现有的一个类去定义一个新类,这样有助于重用代码,更好的组织代码。在 C 语言里面,去实现单继承也非常简单,只要把基类放到继承类的第一个数据成员的位置就行了。 例如,我们现在要创建一个 Rectangle 类,我们只要继承 Shape 类已经存在的属性和操作,再添加不同于 Shape 的属性和操作到 Rectangle 中。 下面是 Rectangle 的声明与定义: #ifndef RECT_H #define RECT_H
#include 'shape.h' // 基类接口
// 矩形的属性 typedef struct { Shape super; // 继承 Shape
// 自己的属性 uint16_t width; uint16_t height; } Rectangle;
// 构造函数 void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y, uint16_t width, uint16_t height);
#endif /* RECT_H */
我们来看一下 Rectangle 的继承关系和内存布局: 因为有这样的内存布局,所以你可以很安全的传一个指向 Rectangle 对象的指针到一个期望传入 Shape 对象的指针的函数中,就是一个函数的参数是 “Shape *”,你可以传入 “Rectangle *”,并且这是非常安全的。这样的话,基类的所有属性和方法都可以被继承类继承! #include 'rect.h' #include <stdio.h>
int main() { Rectangle r1, r2;
// 实例化对象 Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15); Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);
printf('Rect r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n', Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super), r1.width, r1.height); printf('Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n', Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super), r2.width, r2.height);
// 注意,这里有两种方式,一是强转类型,二是直接使用成员地址 Shape_moveBy((Shape *)&r1, -2, 3); Shape_moveBy(&r2.super, 2, -1);
printf('Rect r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n', Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super), r1.width, r1.height); printf('Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n', Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super), r2.width, r2.height);
return 0; } 输出结果:
#ifndef SHAPE_H #define SHAPE_H
#include <stdint.h>
struct ShapeVtbl; // Shape 的属性 typedef struct { struct ShapeVtbl const *vptr; int16_t x; int16_t y; } Shape;
// Shape 的虚表 struct ShapeVtbl { uint32_t (*area)(Shape const * const me); void (*draw)(Shape const * const me); };
// Shape 的操作函数,接口函数 void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y); void Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy); int16_t Shape_getX(Shape const * const me); int16_t Shape_getY(Shape const * const me);
static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) { return (*me->vptr->area)(me); }
static inline void Shape_draw(Shape const * const me) { (*me->vptr->draw)(me); }
Shape const *largestShape(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes); void drawAllShapes(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes);
#endif /* SHAPE_H */ 看下加上虚函数之后的类关系图:
#include 'rect.h' #include <stdio.h>
// Rectangle 虚函数 static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me); static void Rectangle_draw_(Shape const * const me);
// 构造函数 void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y, uint16_t width, uint16_t height) { static struct ShapeVtbl const vtbl = { &Rectangle_area_, &Rectangle_draw_ }; Shape_ctor(&me->super, x, y); // 调用基类的构造函数 me->super.vptr = &vtbl; // 重载 vptr me->width = width; me->height = height; }
// Rectangle's 虚函数实现 static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me) { Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //显示的转换 return (uint32_t)me_->width * (uint32_t)me_->height; }
static void Rectangle_draw_(Shape const * const me) { Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //显示的转换 printf('Rectangle_draw_(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n', Shape_getX(me), Shape_getY(me), me_->width, me_->height); }
static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) { return (*me->vptr->area)(me); }
#include 'rect.h' #include 'circle.h' #include <stdio.h>
int main() { Rectangle r1, r2; Circle c1, c2; Shape const *shapes[] = { &c1.super, &r2.super, &c2.super, &r1.super }; Shape const *s;
// 实例化矩形对象 Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15); Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);
// 实例化圆形对象 Circle_ctor(&c1, 1, -2, 12); Circle_ctor(&c2, 1, -3, 6);
s = largestShape(shapes, sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0])); printf('largetsShape s(x=%d,y=%d)\n', Shape_getX(s), Shape_getY(s));
drawAllShapes(shapes, sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));
return 0; }
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