C語言實現(xiàn)面向對象的方法詳解
1、引言
面向對象編程（OOP）并不是一種特定的語言或者工具，它只是一種設計方法、設計思想。它表現(xiàn)出來的三個最基本的特性就是封裝、繼承與多態(tài)。很多面向對象的編程語言已經(jīng)包含這三個特性了，例如 Smalltalk、C++、Java。但是你也可以用幾乎所有的編程語言來實現(xiàn)面向對象編程，例如 ANSI-C。要記住，面向對象是一種思想，一種方法，不要太拘泥于編程語言。
2、封裝
封裝就是把數(shù)據(jù)和方法打包到一個類里面。其實C語言編程者應該都已經(jīng)接觸過了，C 標準庫中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函數(shù)的操作對象就是 FILE。數(shù)據(jù)內容就是 FILE，數(shù)據(jù)的讀寫操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 類比于構造函數(shù)，fclose() 就是析構函數(shù)。這個看起來似乎很好理解，那下面我們實現(xiàn)一下基本的封裝特性。
#ifndef SHAPE_H
#define SHAPE_H
#include <stdint.h>
// Shape 的屬性
typedef struct {
int16_t x;
int16_t y;
} Shape;
// Shape 的操作函數(shù)，接口函數(shù)
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 */這是 Shape 類的聲明，非常簡單，很好理解。一般會把聲明放到頭文件里面 “Shape.h”。
來看下 Shape 類相關的定義，當然是在 “Shape.c” 里面。
#include "shape.h"
// 構造函數(shù)
void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y)
{
me->x = x;
me->y = y;
}
void Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy)
{
me->x += dx;
me->y += dy;
}
// 獲取屬性值函數(shù)
int16_t Shape_getX(Shape const * const me)
{
return me->x;
}
int16_t Shape_getY(Shape const * const me)
{
return me->y;
}再看下 main.c
#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;
}編譯之后，看看執(zhí)行結果：
Shape s1(x=0,y=1)
Shape s2(x=-1,y=2)
Shape s1(x=2,y=-3)
Shape s2(x=0,y=0)
整個例子，非常簡單，非常好理解。以后寫代碼時候，要多去想想標準庫的文件IO操作，這樣也有意識的去培養(yǎng)面向對象編程的思維。
3、繼承
繼承就是基于現(xiàn)有的一個類去定義一個新類，這樣有助于重用代碼，更好的組織代碼。在 C 語言里面，去實現(xiàn)單繼承也非常簡單，只要把基類放到繼承類的第一個數(shù)據(jù)成員的位置就行了。
例如，我們現(xiàn)在要創(chuàng)建一個 Rectangle 類，我們只要繼承 Shape 類已經(jīng)存在的屬性和操作，再添加不同于 Shape 的屬性和操作到 Rectangle 中。
下面是 Rectangle 的聲明與定義：
#ifndef RECT_H
#define RECT_H
#include "shape.h" // 基類接口
// 矩形的屬性
typedef struct {
Shape super; // 繼承 Shape
// 自己的屬性
uint16_t width;
uint16_t height;
} Rectangle;
// 構造函數(shù)
void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y,
uint16_t width, uint16_t height);
#endif /* RECT_H */#include "rect.h"
// 構造函數(shù)
void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y,
uint16_t width, uint16_t height)
{
/* first call superclass' ctor */
Shape_ctor(&me->super, x, y);
/* next, you initialize the attributes added by this subclass... */
me->width = width;
me->height = height;
}我們來看一下 Rectangle 的繼承關系和內存布局
因為有這樣的內存布局，所以你可以很安全的傳一個指向 Rectangle 對象的指針到一個期望傳入 Shape 對象的指針的函數(shù)中，就是一個函數(shù)的參數(shù)是 “Shape *”，你可以傳入 “Rectangle *”，并且這是非常安全的。這樣的話，基類的所有屬性和方法都可以被繼承類繼承！
#include "rect.h"
#include <stdio.h>
int main()
{
Rectangle r1, r2;
// 實例化對象
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，這里有兩種方式，一是強轉類型，二是直接使用成員地址
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;
}輸出結果：
Rect r1(x=0,y=2,width=10,height=15)
Rect r2(x=-1,y=3,width=5,height=8)
Rect r1(x=-2,y=5,width=10,height=15)
Rect r2(x=1,y=2,width=5,height=8)
4、多態(tài)
C++ 語言實現(xiàn)多態(tài)就是使用虛函數(shù)。在 C 語言里面，也可以實現(xiàn)多態(tài)。
現(xiàn)在，我們又要增加一個圓形，并且在 Shape 要擴展功能，我們要增加 area() 和 draw() 函數(shù)。但是 Shape 相當于抽象類，不知道怎么去計算自己的面積，更不知道怎么去畫出來自己。而且，矩形和圓形的面積計算方式和幾何圖像也是不一樣的。
下面讓我們重新聲明一下 Shape 類
#ifndef SHAPE_H
#define SHAPE_H
#include <stdint.h>
struct ShapeVtbl;
// Shape 的屬性
typedef struct {
struct ShapeVtbl const *vptr;
int16_t x;
int16_t y;
} Shape;
// Shape 的虛表
struct ShapeVtbl {
uint32_t (*area)(Shape const * const me);
void (*draw)(Shape const * const me);
};
// Shape 的操作函數(shù)，接口函數(shù)
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 */看下加上虛函數(shù)之后的類關系圖
4.1 虛表和虛指針
虛表（Virtual Table）是這個類所有虛函數(shù)的函數(shù)指針的集合。
虛指針（Virtual Pointer）是一個指向虛表的指針。這個虛指針必須存在于每個對象實例中，會被所有子類繼承。
在《Inside The C++ Object Model》的第一章內容中，有這些介紹。
4.2 在構造函數(shù)中設置vptr
在每一個對象實例中，vptr 必須被初始化指向其 vtbl。最好的初始化位置就是在類的構造函數(shù)中。事實上，在構造函數(shù)中，C++ 編譯器隱式的創(chuàng)建了一個初始化的vptr。在 C 語言里面， 我們必須顯示的初始化vptr。
下面就展示一下，在 Shape 的構造函數(shù)里面，如何去初始化這個 vptr。
#include "shape.h"
#include <assert.h>
// Shape 的虛函數(shù)
static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me);
static void Shape_draw_(Shape const * const me);
// 構造函數(shù)
void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y)
{
// Shape 類的虛表
static struct ShapeVtbl const vtbl =
{
&Shape_area_,
&Shape_draw_
};
me->vptr = &vtbl;
me->x = x;
me->y = y;
}
void Shape_moveBy(Shape * const me, int16_t dx, int16_t dy)
{
me->x += dx;
me->y += dy;
}
int16_t Shape_getX(Shape const * const me)
{
return me->x;
}
int16_t Shape_getY(Shape const * const me)
{
return me->y;
}
// Shape 類的虛函數(shù)實現(xiàn)
static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me)
{
assert(0); // 類似純虛函數(shù)
return 0U; // 避免警告
}
static void Shape_draw_(Shape const * const me)
{
assert(0); // 純虛函數(shù)不能被調用
}
Shape const *largestShape(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes)
{
Shape const *s = (Shape *)0;
uint32_t max = 0U;
uint32_t i;
for (i = 0U; i < nShapes; ++i)
{
uint32_t area = Shape_area(shapes[i]);// 虛函數(shù)調用
if (area > max)
{
max = area;
s = shapes[i];
}
}
return s;
}
void drawAllShapes(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes)
{
uint32_t i;
for (i = 0U; i < nShapes; ++i)
{
Shape_draw(shapes[i]); // 虛函數(shù)調用
}
}注釋比較清晰，這里不再多做解釋。
4.3 繼承 vtbl 和 重載 vptr
上面已經(jīng)提到過，基類包含 vptr，子類會自動繼承。但是，vptr 需要被子類的虛表重新賦值。并且，這也必須發(fā)生在子類的構造函數(shù)中。下面是 Rectangle 的構造函數(shù)。
#include "rect.h"
#include <stdio.h>
// Rectangle 虛函數(shù)
static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me);
static void Rectangle_draw_(Shape const * const me);
// 構造函數(shù)
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); // 調用基類的構造函數(shù)
me->super.vptr = &vtbl; // 重載 vptr
me->width = width;
me->height = height;
}
// Rectangle's 虛函數(shù)實現(xiàn)
static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me)
{
Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //顯示的轉換
return (uint32_t)me_->width * (uint32_t)me_->height;
}
static void Rectangle_draw_(Shape const * const me)
{
Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //顯示的轉換
printf("Rectangle_draw_(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
Shape_getX(me), Shape_getY(me), me_->width, me_->height);
}
4.4 虛函數(shù)調用
有了前面虛表（Virtual Tables）和虛指針（Virtual Pointers）的基礎實現(xiàn)，虛擬調用（后期綁定）就可以用下面代碼實現(xiàn)了。
uint32_t Shape_area(Shape const * const me)
{
return (*me->vptr->area)(me);
}
這個函數(shù)可以放到.c文件里面，但是會帶來一個缺點就是每個虛擬調用都有額外的調用開銷。為了避免這個缺點，如果編譯器支持內聯(lián)函數(shù)（C99）。我們可以把定義放到頭文件里面，類似下面：
static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me)
{
return (*me->vptr->area)(me);
}
如果是老一點的編譯器（C89），我們可以用宏函數(shù)來實現(xiàn)，類似下面這樣：
#define Shape_area(me_) ((*(me_)->vptr->area)((me_)))
看一下例子中的調用機制：
4.5 main.c
#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;
// 實例化矩形對象
Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15);
Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);
// 實例化圓形對象
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;
}輸出結果：
largetsShape s(x=1,y=-2)
Circle_draw_(x=1,y=-2,rad=12)
Rectangle_draw_(x=-1,y=3,width=5,height=8)
Circle_draw_(x=1,y=-3,rad=6)
Rectangle_draw_(x=0,y=2,width=10,height=15)
5、總結
還是那句話，面向對象編程是一種方法，并不局限于某一種編程語言。用 C 語言實現(xiàn)封裝、單繼承，理解和實現(xiàn)起來比較簡單，多態(tài)反而會稍微復雜一點，如果打算廣泛的使用多態(tài)，還是推薦轉到 C++ 語言上，畢竟這層復雜性被這個語言給封裝了，你只需要簡單的使用就行了。但并不代表，C 語言實現(xiàn)不了多態(tài)這個特性。
以上就是C語言實現(xiàn)面向對象的方法詳解的詳細內容，更多關于C語言實現(xiàn)面向對象的資料請關注腳本之家其它相關文章！
相關文章
C++中字符串全排列算法及next_permutation原理詳解
這篇文章主要為大家詳細介紹了C++中字符串全排列(遞歸法)和(迭代法)以及next_permutation底層原理，文中的示例代碼講解詳細，感興趣的可以了解一下2023-02-02
這篇文章主要為大家詳細介紹了C語言之包含min函數(shù)的棧，文中示例代碼介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來幫助2022-02-02
這篇文章主要為大家詳細介紹了C語言簡單實現(xiàn)三子棋游戲，文中示例代碼介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下2021-08-08
本文主要介紹C語言 數(shù)組指針,這里整理了相關資料并附示例待會及實現(xiàn)結果，幫助大家學習C語言中指針的知識，有需要學習此部分內容的朋友可以參考下2016-08-08
本篇文章小編將為大家介紹，關于嘗試開發(fā)PHP的MYSQL擴展的使用，需要的朋友可以參考一下2013-04-04
這篇文章主要介紹了C語言中的for循環(huán)語句基本語法及使用,本文結合實例代碼給大家介紹的非常詳細，對大家的學習或工作具有一定的參考借鑒價值，需要的朋友可以參考下2023-06-06
Visual Studio Code 從簡介、安裝到配置所需插件詳細介紹
這篇文章給大家介紹到vs與vs code的區(qū)別，并且會詳細介紹vscode的安裝步驟，和我所了解過的插件配置，感興趣的朋友跟隨小編一起看看吧2020-03-03
C語言二叉樹常見操作詳解【前序,中序,后序,層次遍歷及非遞歸查找,統(tǒng)計個數(shù),比較,求深度】
這篇文章主要介紹了C語言二叉樹常見操作,結合實例形式詳細分析了基于C語言的二叉樹前序,中序,后序,層次遍歷及非遞歸查找,統(tǒng)計個數(shù),比較,求深度等相關操作技巧與注意事項,需要的朋友可以參考下2018-04-04
Boost是為C++語言標準庫提供擴展的一些C++程序庫的總稱。Boost庫是一個可移植、提供源代碼的C++庫，作為標準庫的后備，是C++標準化進程的開發(fā)引擎之一，是為C++語言標準庫提供擴展的一些C++程序庫的總稱2022-11-11
數(shù)據(jù)結構課程設計- 解析最少換車次數(shù)的問題詳解
數(shù)據(jù)結構課程設計- 解析最少換車次數(shù)的問題詳解2013-05-05