谈面向对象思想在C语言的运用

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前言1、继承2、封装伪构造函数3、多态

前言

我们都知道C语言是一门过程性语言，所谓过程性就是在解决问题时，将问题按步骤分解。

例如，做菜的时候，先点火，再倒油，接着下菜翻炒，最后加盐和酱油。但有时候借鉴面向对象的思想来组织代码，逻辑层次会更加清晰。

C和C++的最大区别便是，C++有类，C没有类的概念。单单这一个类使得C缺失很多的东西。好在C有结构体，勉强可以当0.1个类来使用。

众所周知，类有三大特性：封装、继承、多态。我们来看看C语言如何借鉴类的三大特性来更好的组织代码。

1、继承

C语言没有严格意义上的继承，可以借助结构体嵌套实现类似于继承的形式，但始终不尽人意。

struct parent
{
    int a;
};
struct son
{
    struct parent p;//儿子继承父亲
    int b;
};

C++的类可以实现成员的访问控制，例如将变量b声明成private，那么外部就无法访问。但C的结构体做不到。

在C++里头，父亲的私有成员，儿子是无法访问的。结构体嵌套也做不到。因为结构体根本就没有访问控制的概念。

对于C++而言，访问控制实质上是在编译层做的，我们仍旧可以通过指针来间接访问。

例如：

class Base{
public:
   int a;
private:
   int b;
};

尽管b被声明成私有，但我们仍旧有办法访问它（借助指针绕过语法检查）：

Base t;
int *p = &t.a;
cout << p[1] << endl;

2、封装

封装就是把数据和方法打包到一个类里面。C++的实现大致如下：

class 类名
{
public:
    公有方法1
    公有方法2
    ……
    公有数据1
    ……
private:
    私有方法1
    私有方法2
    ……
    私有数据1
    ……
};

这样做的好处是显而易见的。一个类实现了一个小模块，使得代码结构比较清晰。对外接口和数据定义成public，允许调用者直接访问。内部接口和数据定义成private，外部不可见。

在 QT 中，为了更好的隐藏一个类的具体实现，一般是一个公开头文件、一个私有头文件，私有头文件中定义实现的内部细节，公开头文件中定义开放给客户程序员的接口和公共数据。看看QObject （qobject.h），对应有一QObjectPrivate（qobject_p.h ） ，其他的也类似。

QObject{
public:
    xxx
    xxx
private:
    QObjectPrivate * priv;
};

我们可以借助C语言的指针和结构体来实现方法和数据的封装。基本框架如下：

struct 结构体名{
    数据1；
    数据2;
    ……
    方法1:
    方法2;
    ……
}

在结构体里定义成员变量很容易，直接int a;
在结构体里定义成员函数要使用函数指针，比如：

int (*func)(void *)

所以，我们把上面的框架具体化就是：

struct manager{
    int data1;
    int data2;
    int (*operation1)(struct manager*);
    int (*operation2)(struct manager*);
};

实际上，C++的成员函数也是通过函数指针的形式来实现，本质上是一致的。我们都知道类的成员函数和类的成员变量是分开存储的，同一个类的所有对象，成员函数只需要占据一份地址空间。

在定义结构体之后，函数指针并没有赋值，一般我们会定义一个结构体初始化函数来初始化结构体成员，这有点类似于类的构造函数，但类的构造函数在创建对象时自动调用，而我们这个结构体初始化函数只能自己手动调用了。

同样的，对标C++的析构函数，我们在C语言里头有一个去初始化的函数来完成模块的去初始化，这种思想不就是一样的吗？

static int operation1(struct manager *manager_ptr)
{
    ……
}
static int operation2(struct manager *manager_ptr)
{
    ……
}

伪构造函数

注意，我们把两个operation函数定义成了static，这样子文件之外的函数就不能调用它，只能通过manager结构体来调用。是不是感觉有点封装的意味。

void init_manager(struct manager* manager_ptr)
{
    manager_ptr->operation1 = operation1;
    manager_ptr->operation2 = operation2;
    manager_ptr->data1 = 0;
    manager_ptr->data2 = 0;
}

去初始化函数我就不写了。

如果operation函数在外面的文件定义，则可以作为init_manager函数的参数传入，这种场景也非常常见。我实现了模块A，该模块的operation1函数处理数据并输出一些结果。但是我并不知道使用该模块的人想要什么格式的结果，比如有一些人想要json格式的结果，有些人想要xml格式的结果。我不能帮他们一一实现一个方法，我干脆叫你们统一按照我指定的函数模板，实现一个处理函数，完了你们调用结构体初始化函数注册下，我会在operation1函数处理完数据后，调用你们的处理函数，给你们一个满意的结果。

为了达到上面的目的，简单修改下，我们把函数operation2定义成一种类型，

typedef int  (*FUN_CBK)(struct manager *manager_ptr)；

结构体定义稍作修改：

struct manager{
    int data1;
    int data2;
    int (*operation1)(struct manager*);
    FUN_CBK call_back;
};

结构体初始化函数也要做相应的修改，增加了一个函数指针形参：

void init_manager(struct manager* manager_ptr, \
FUN_CBK fun)
{
    manager_ptr->operation1 = operation1;
    manager_ptr->call_back = fun;//用外部传入的回调函数进行初始化
    manager_ptr->data1 = 0;
    manager_ptr->data2 = 0;
}

通过上面的操作，我们用结构体和函数指针完成了模块化封装。

我看了网上的博客，有些人为了特意模仿类，还用以下方式实现了类似于类的构造函数：

struct manager *manager_create(int m, int n)
{
    struct manager *m = (struct manager *)\
    malloc(sizeof(struct manager *));
    m->data1 = m;
    m->data2 = n;
    m->operation1 = operation1;
    m->operation2 = operation2;
}

以及类似于类的析构函数：

void manager_delete(struct manager *m_ptr)
{
    free(m_ptr);
    m_ptr = NULL;
}

使用示例：

struct manager *m_ptr = manager_create (1,2);
manager_delete(m_ptr);

个人不是很喜欢这种做法，万一忘记调用manager_delete还有内存泄露的风险。

结构体归根到底还是结构体，不能实现成员对外不可见。而C++中将成员声明成private之后，外部就无法访问了。C语言里想这么做，只能将该成员移出结构体，定义为static形式。因为C不支持在结构体内部定义static变量（不信，你可以自己去试下）。

为何不能在结构体内定义static变量，想想就知道了，static变量的地址在编译链接之后是唯一且确定的，而结构体只有在实例化时才能确定其地址，并且每个结构体实例都有自己的地址空间。

3、多态

多态在上面的例子也有体现。C语言实现的多态并非是严格意义上的多态，但是这种思想的应用很广泛，我们姑且叫它多态吧。你不解C++的多态也没关系，丝毫不影响你理解下文。

linux的VFS便借鉴了这种思想。VFS（Virtual File System）是内核提供的文件系统抽象层，其提供了文件系统的操作接口，可以隐藏底层不同文件系统的实现。

一个文件系统无非就是实现对文件、目录的管理。针对文件VFS定义了统一的结构体：

struct file {
    union {
        struct llist_nodefu_llist;
        struct rcu_head fu_rcuhead;
    } f_u;
    struct pathf_path;
    struct inode*f_inode;/* cached value */
    const struct file_operations*f_op;
    ……
}; 

strcut file代表一个文件，每种文件系统（比如ext3，vfat）实现读写等操作的方式都不一样，所以将这些方法封装成函数指针，统一定义在结构体struct file_operations内。

struct file_operations {
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    ……
};

每个文件系统各自完成自己的实现。

再写一个实际的例子。
定义一个人的标准接口和数据如下：

strcut man{
    int head;
    int body;
    ……
    void (*say_hello)(void);//见面问候的方式
};

中国人见面时，说你好:

void china_say_hello(void)
{
    printf(“你好”);
}

英国人见面时，说hello:

void english_say_hello(void)
{
    printf(“hello”);
}

现在来初始化它们各自的问候方式：

struct man china{
    .say_hello = china_say_hello;
}

struct man english{
    .say_hello = English_say_hello;
}

英国人和中国人对外呈现都是struct man，其见面问候的接口都是man.say_hello，但其底层实现却可以不一样。

并且我们可以在程序运行时，随意的更改中国人的问候方式。比如婴儿时期，只会“哇哇”叫，长大了才会说“你好”，我们可以改变成员say_hello的值，让其在不同时期指向不同的函数，从而达到运行时多态的目的。

其实呢，C++的多态，也是通过函数指针来实现的，学习过C++的同学就会知道，含有虚函数的类，会维护一个虚函数表，里面存放了虚函数的地址。所以说啊，C语言是C++的母语，万变不离指针，指针是C语言的一大法宝。

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