一、前言

在嵌入式開發(fā)中，C/C++語(yǔ)言是使用最普及的，在C++11版本之前，它們的語(yǔ)法是比較相似的，只不過(guò)C++提供了面向?qū)ο蟮?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/1315/" target="_blank">編程方式。

雖然C++語(yǔ)言是從C語(yǔ)言發(fā)展而來(lái)的，但是今天的C++已經(jīng)不是當(dāng)年的C語(yǔ)言的擴(kuò)展了，從2011版本開始，更像是一門全新的語(yǔ)言。

那么沒(méi)有想過(guò)，當(dāng)初為什么要擴(kuò)展出C++？C語(yǔ)言有什么樣的缺點(diǎn)導(dǎo)致C++的產(chǎn)生？

C++在這幾個(gè)問(wèn)題上的解決的確很好，但是隨著語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的逐步擴(kuò)充，C++語(yǔ)言的學(xué)習(xí)難度也逐漸加大。沒(méi)有開發(fā)過(guò)幾個(gè)項(xiàng)目，都不好意思說(shuō)自己學(xué)會(huì)了C++，那些左值、右值、模板、模板參數(shù)、可變模板參數(shù)等等一堆的概念，真的不是使用2，3年就可以熟練掌握的。

但是，C語(yǔ)言也有很多的優(yōu)點(diǎn)：

其實(shí)最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是最重要的：使用的人越多，生命力就越強(qiáng)。就像現(xiàn)在的社會(huì)一樣，不是優(yōu)者生存，而是適者生存。

這篇文章，我們就來(lái)聊聊如何在C語(yǔ)言中利用面向?qū)ο蟮乃枷雭?lái)編程。也許你在項(xiàng)目中用不到，但是也強(qiáng)烈建議你看一下，因?yàn)槲抑霸谔鄣臅r(shí)候就兩次被問(wèn)到這個(gè)問(wèn)題。

二、什么是面向?qū)ο缶幊?/p>

有這么一個(gè)公式：程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法。

C語(yǔ)言中一般使用面向過(guò)程編程，就是分析出解決問(wèn)題所需要的步驟，然后用函數(shù)把這些步驟一步一步調(diào)用，在函數(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理（執(zhí)行算法），也就是說(shuō)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法是分開的。

C++語(yǔ)言把數(shù)據(jù)和算法封裝在一起，形成一個(gè)整體，無(wú)論是對(duì)它的屬性進(jìn)行操作、還是對(duì)它的行為進(jìn)行調(diào)用，都是通過(guò)一個(gè)對(duì)象來(lái)執(zhí)行，這就是面向?qū)ο缶幊趟枷搿?/p>

如果用C語(yǔ)言來(lái)模擬這樣的編程方式，需要解決3個(gè)問(wèn)題：

數(shù)據(jù)的封裝

繼承

多態(tài)

第一個(gè)問(wèn)題：封裝

封裝描述的是數(shù)據(jù)的組織形式，就是把屬于一個(gè)對(duì)象的所有屬性（數(shù)據(jù)）組織在一起，C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體類型天生就支持這一點(diǎn)。

第二個(gè)問(wèn)題：繼承

繼承描述的是對(duì)象之間的關(guān)系，子類通過(guò)繼承父類，自動(dòng)擁有父類中的屬性和行為（也就是方法）。這個(gè)問(wèn)題只要理解了C語(yǔ)言的內(nèi)存模型，也不是問(wèn)題，只要在子類結(jié)構(gòu)體中的第一個(gè)成員變量的位置放置一個(gè)父類結(jié)構(gòu)體變量，那么子類對(duì)象就繼承了父類中的屬性。

另外補(bǔ)充一點(diǎn)：學(xué)習(xí)任何一種語(yǔ)言，一定要理解內(nèi)存模型！

第三個(gè)問(wèn)題：多態(tài)

按字面理解，多態(tài)就是“多種狀態(tài)”，描述的是一種動(dòng)態(tài)的行為。在C++中，只有通過(guò)基類引用或者指針，去調(diào)用虛函數(shù)的時(shí)候才發(fā)生多態(tài)，也就是說(shuō)多態(tài)是發(fā)生在運(yùn)行期間的，C++內(nèi)部通過(guò)一個(gè)虛表來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)。那么在C語(yǔ)言中，我們也可以按照這個(gè)思路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如果一門語(yǔ)言只支持類，而不支持多態(tài)，只能說(shuō)它是基于對(duì)象的，而不是面向?qū)ο蟮摹?/p>

既然思路上沒(méi)有問(wèn)題，那么我們就來(lái)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)一個(gè)。

三、先實(shí)現(xiàn)一個(gè)父類，解決封裝的問(wèn)題

Animal.h

#ifndef _ANIMAL_H_#define _ANIMAL_H_ // 定義父類結(jié)構(gòu)typedef struct { int age; int weight;} Animal; // 構(gòu)造函數(shù)聲明void Animal_Ctor（Animal *this， int age， int weight）; // 獲取父類屬性聲明int Animal_GetAge（Animal *this）;int Animal_GetWeight（Animal *this）; #endifAnimal.c

#include “Animal.h” // 父類構(gòu)造函數(shù)實(shí)現(xiàn)void Animal_Ctor（Animal *this， int age， int weight）{ this-》age = age; this-》weight = weight;} int Animal_GetAge（Animal *this）{ return this-》age;} int Animal_GetWeight（Animal *this）{ return this-》weight;}

測(cè)試一下：

#include 《stdio.h》#include “Animal.h”#include “Dog.h” int main（）{ // 在棧上創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象 Animal a; // 構(gòu)造對(duì)象 Animal_Ctor（&a， 1， 3）; printf（“age = %d， weight = %d ”， Animal_GetAge（&a）， Animal_GetWeight（&a））; return 0;}

可以簡(jiǎn)單的理解為：在代碼段有一塊空間，存儲(chǔ)著可以處理Animal對(duì)象的函數(shù)；在棧中有一塊空間，存儲(chǔ)著a對(duì)象。

與C++對(duì)比：在C++的方法中，隱含著第一個(gè)參數(shù)this指針。當(dāng)調(diào)用一個(gè)對(duì)象的方法時(shí)，編譯器會(huì)自動(dòng)把對(duì)象的地址傳遞給這個(gè)指針。

所以，在Animal.h中函數(shù)我們就模擬一下，顯示的定義這個(gè)this指針，在調(diào)用時(shí)主動(dòng)把對(duì)象的地址傳遞給它，這樣的話，函數(shù)就可以對(duì)任意一個(gè)Animal對(duì)象進(jìn)行處理了。

四、 實(shí)現(xiàn)一個(gè)子類，解決繼承的問(wèn)題

Dog.h

#ifndef _DOG_H_#define _DOG_H_ #include “Animal.h” // 定義子類結(jié)構(gòu)typedef struct { Animal parent; // 第一個(gè)位置放置父類結(jié)構(gòu) int legs; // 添加子類自己的屬性}Dog; // 子類構(gòu)造函數(shù)聲明void Dog_Ctor（Dog *this， int age， int weight， int legs）; // 子類屬性聲明int Dog_GetAge（Dog *this）;int Dog_GetWeight（Dog *this）;int Dog_GetLegs（Dog *this）; #endif

Dog.c

#include “Dog.h” // 子類構(gòu)造函數(shù)實(shí)現(xiàn)void Dog_Ctor（Dog *this， int age， int weight， int legs）{ // 首先調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)，來(lái)初始化從父類繼承的數(shù)據(jù) Animal_Ctor（&this-》parent， age， weight）; // 然后初始化子類自己的數(shù)據(jù) this-》legs = legs;} int Dog_GetAge（Dog *this）{ // age屬性是繼承而來(lái)，轉(zhuǎn)發(fā)給父類中的獲取屬性函數(shù) return Animal_GetAge（&this-》parent）;} int Dog_GetWeight（Dog *this）{ return Animal_GetWeight（&this-》parent）;} int Dog_GetLegs（Dog *this）{ // 子類自己的屬性，直接返回 return this-》legs;}

測(cè)試一下：

int main（）{ Dog d; Dog_Ctor（&d， 1， 3， 4）; printf（“age = %d， weight = %d， legs = %d ”， Dog_GetAge（&d）， Dog_GetWeight（&d）， Dog_GetLegs（&d））; return 0;}

在代碼段有一塊空間，存儲(chǔ)著可以處理Dog對(duì)象的函數(shù)；在棧中有一塊空間，存儲(chǔ)著d對(duì)象。由于Dog結(jié)構(gòu)體中的第一個(gè)參數(shù)是Animal對(duì)象，所以從內(nèi)存模型上看，子類就包含了父類中定義的屬性。

Dog的內(nèi)存模型中開頭部分就自動(dòng)包括了Animal中的成員，也即是說(shuō)Dog繼承了Animal的屬性。

五、利用虛函數(shù)，解決多態(tài)問(wèn)題

在C++中，如果一個(gè)父類中定義了虛函數(shù)，那么編譯器就會(huì)在這個(gè)內(nèi)存中開辟一塊空間放置虛表，這張表里的每一個(gè)item都是一個(gè)函數(shù)指針，然后在父類的內(nèi)存模型中放一個(gè)虛表指針，指向上面這個(gè)虛表。

上面這段描述不是十分準(zhǔn)確，主要看各家編譯器的處理方式，不過(guò)大部分C++處理器都是這么干的，我們可以想這么理解。

子類在繼承父類之后，在內(nèi)存中又會(huì)開辟一塊空間來(lái)放置子類自己的虛表，然后讓繼承而來(lái)的虛表指針指向子類自己的虛表。

既然C++是這么做的，那我們就用C來(lái)手動(dòng)模擬這個(gè)行為：創(chuàng)建虛表和虛表指針。

1. Animal.h為父類Animal中，添加虛表和虛表指針

#ifndef _ANIMAL_H_#define _ANIMAL_H_ struct AnimalVTable; // 父類虛表的前置聲明 // 父類結(jié)構(gòu)typedef struct { struct AnimalVTable *vptr; // 虛表指針 int age; int weight;} Animal; // 父類中的虛表struct AnimalVTable{ void （*say）（Animal *this）; // 虛函數(shù)指針}; // 父類中實(shí)現(xiàn)的虛函數(shù)void Animal_Say（Animal *this）; #endif

2. Animal.c

#include 《assert.h》#include “Animal.h” // 父類中虛函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)static void _Animal_Say（Animal *this）{ // 因?yàn)楦割怉nimal是一個(gè)抽象的東西，不應(yīng)該被實(shí)例化。 // 父類中的這個(gè)虛函數(shù)不應(yīng)該被調(diào)用，也就是說(shuō)子類必須實(shí)現(xiàn)這個(gè)虛函數(shù)。 // 類似于C++中的純虛函數(shù)。 assert（0）; } // 父類構(gòu)造函數(shù)void Animal_Ctor（Animal *this， int age， int weight）{ // 首先定義一個(gè)虛表 static struct AnimalVTable animal_vtbl = {_Animal_Say}; // 讓虛表指針指向上面這個(gè)虛表 this-》vptr = &animal_vtbl; this-》age = age; this-》weight = weight;} // 測(cè)試多態(tài)：傳入的參數(shù)類型是父類指針void Animal_Say（Animal *this）{ // 如果this實(shí)際指向一個(gè)子類Dog對(duì)象，那么this-》vptr這個(gè)虛表指針指向子類自己的虛表， // 因此，this-》vptr-》say將會(huì)調(diào)用子類虛表中的函數(shù)。 this-》vptr-》say（this）;}

在?？臻g定義了一個(gè)虛函數(shù)表animal_vtbl，這個(gè)表中的每一項(xiàng)都是一個(gè)函數(shù)指針，例如：函數(shù)指針say就指向了代碼段中的函數(shù)_Animal_Say（）。 》 對(duì)象a的第一個(gè)成員vptr是一個(gè)指針，指向了這個(gè)虛函數(shù)表animal_vtbl。

3. Dog.h不變

4. Dog.c中定義子類自己的虛表

#include “Dog.h” // 子類中虛函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)static void _Dog_Say（Dog *this）{ printf（“dag say ”）;} // 子類構(gòu)造函數(shù)void Dog_Ctor（Dog *this， int age， int weight， int legs）{ // 首先調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)。 Animal_Ctor（&this-》parent， age， weight）; // 定義子類自己的虛函數(shù)表 static struct AnimalVTable dog_vtbl = {_Dog_Say}; // 把從父類中繼承得到的虛表指針指向子類自己的虛表 this-》parent.vptr = &dog_vtbl; // 初始化子類自己的屬性 this-》legs = legs;}

5. 測(cè)試一下

int main（）{ // 在棧中創(chuàng)建一個(gè)子類Dog對(duì)象 Dog d; Dog_Ctor（&d， 1， 3， 4）; // 把子類對(duì)象賦值給父類指針 Animal *pa = &d; // 傳遞父類指針，將會(huì)調(diào)用子類中實(shí)現(xiàn)的虛函數(shù)。 Animal_Say（pa）;}

內(nèi)存模型如下：

對(duì)象d中，從父類繼承而來(lái)的虛表指針vptr，所指向的虛表是dog_vtbl。

在執(zhí)行Animal_Say（pa）的時(shí)候，雖然參數(shù)類型是指向父類Animal的指針，但是實(shí)際傳入的pa是一個(gè)指向子類Dog的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象中的虛表指針vptr指向的是子類中自己定義的虛表dog_vtbl，這個(gè)虛表中的函數(shù)指針say指向的是子類中重新定義的虛函數(shù)_Dog_Say，因此this-》vptr-》say（this）最終調(diào)用的函數(shù)就是_Dog_Say。

基本上，在C中面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想就是以上這樣。這個(gè)代碼很簡(jiǎn)單，自己手敲一下就可以了。如果想偷懶，請(qǐng)?jiān)诤笈_(tái)留言，我發(fā)給您。

六、C面向?qū)ο笏枷朐陧?xiàng)目中的使用

1. Linux內(nèi)核

看一下關(guān)于socket的幾個(gè)結(jié)構(gòu)體：

struct sock { 。..} struct inet_sock { struct sock sk; 。..}; struct udp_sock { struct sock sk; 。..};

sock可以看作是父類，inet_sock和udp_sock的第一個(gè)成員都是是sock類型，從內(nèi)存模型上看相當(dāng)于是繼承了sock中的所有屬性。

2. glib庫(kù)

以最簡(jiǎn)單的字符串處理函數(shù)來(lái)舉例：

GString *g_string_truncate（GString *string， gint len）GString *g_string_append（GString *string， gchar *val）GString *g_string_prepend（GString *string， gchar *val）

API函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)都是一個(gè)GString對(duì)象指針，指向需要處理的那個(gè)字符串對(duì)象。

GString *s1， *s2;s1 = g_string_new（“Hello”）;s2 = g_string_new（“Hello”）; g_string_append（s1，“ World！”）;g_string_append（s2，“ World！”）;

3. 其他項(xiàng)目

還有一些項(xiàng)目，雖然從函數(shù)的參數(shù)上來(lái)看，似乎不是面向?qū)ο蟮?，但是在?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上看來(lái)，也是面向?qū)ο蟮乃枷?，比如?/p>

1. Modbus協(xié)議的開源庫(kù)libmodbus

2. 用于家庭自動(dòng)化的無(wú)線通訊協(xié)議ZWave

3. 很久之前的高通手機(jī)開發(fā)平臺(tái)BREW

原文標(biāo)題：一步步分析：C語(yǔ)言如何面向?qū)ο缶幊?/p>

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