C语言实现封装、继承和多态
请参考原文：http://dongxicheng.org/cpp/ooc/
1、 概述
C语言是一种面向过程的程序设计语言，而C++是在C语言基础上衍生来了的面向对象的语言，实际上，很多C++实现的底层是用C语言实现的，如在Visual C++中的Interface其实就是struct，查找Interface的定义，你可以发现有这样的宏定义：
#ifndef Interface
#define Interface struct
#endif
C++在语言级别上添加了很多新机制（继承，多态等），而在C语言中，我们也可以使用这样的机制，前提是我们不得不自己实现。
本文介绍了用C语言实现封装，继承和多态的方法。
2、 基本知识
在正式介绍C语言实现封装，继承和多态事前，先介绍一下C语言中的几个概念和语法。
（1） 结构体
在C语言中，常把一个对象用结构体进行封装，这样便于对对象进行操作，比如：
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strcut Point{int x;int y;}; |
结构体可以嵌套。因而可以把一个结构体当成另一个结构体的成员，如：
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struct Circle {struct Point point_;int radius;}; |
该结构体与以下定义完全一样（包括内存布置都一样）：
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struct Circle {int x;int y;int radius;}; |
（2） 函数指针
函数指针是指针的一种，它指向函数的首地址（函数的函数名即为函数的首地址），可以通过函数指针来调用函数。
如函数：
int func(int a[], int n);
可以这样声明函数指针：
int (*pFunc)(int a[], int n);
这样使用：
pFunc = func;
(*pFunc)(a, n);【或者PFunc(a, n)】
可以用typedef定义一个函数指针类型，如：
typdef int (*FUNC)(int a[], int n)
可以这样使用：
int cal_a(FUNC fptr, int a[], int n)
{
//实现体
}
（3） extern与static
extern和static是C语言中的两个修饰符，extern可用于修饰函数或者变量，表示该变量或者函数在其他文件中进行了定义；static也可用于修饰函数或者变量，表示该函数或者变量只能在该文件中使用。可利用它们对数据或者函数进行隐藏或者限制访问权限。
3、 封装
在C语言中，可以用结构+函数指针来模拟类的实现，而用这种结构定义的变量就是对象。
封装的主要含义是隐藏内部的行为和信息，使用者只用看到对外提供的接口和公开的信息。有两种方法实现封装：
(1) 利用C语言语法。在头文件中声明，在C文件中真正定义它。
这样可以隐藏内部信息，因为外部不知道对象所占内存的大小，所以不能静态的创建该类的对象，只能调用类提供的创建函数才能创建。这种方法的缺陷是不支持继承，因为子类中得不到任何关于父类的信息。如：
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//头文件：point.h#ifndef POINT_H#define POINT_Hstruct Point;typedef struct Point point;point * new_point(); //newer a point objectvoid free_point(point *point_);// free the allocated space#endif//C文件: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) 把私有数据信息放在一个不透明的priv变量或者结构体中。只有类的实现代码才知道priv或者结构体的真正定义。如:
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#ifndef POINT _H#define POINT_Htypedef 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 objectvoid free_point(point *point_);// free the allocated space#endif//C文件: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、 继承
在C语言中，可以利用“结构在内存中的布局与结构的声明具有一致的顺序”这一事实实现继承。
比如我们要设计一个作图工具，其中可能涉及到的对象有Point(点)，Circle(圆)，由于圆是由点组成的，所有可以看成Circle继承自Point。另外，Point和Circle都需要空间申请，空间释放等操作，所有他们有共同的基类Base。
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//内存管理类new.h#ifndef NEW_H#define NEW_Hvoid * new (const void * class, ...);void delete (void * item);void draw (const void * self);#endif//内存管理类的C文件：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);}//基类：base.h#ifndef BASE_H#define BASE_Hstruct Base{size_t size; //类所占空间void * (* ctor) (void * self, va_list * app); //构造函数void * (* dtor) (void * self); //析构函数void (* draw) (const void * self); //作图};#endif//Point头文件(对外提供的接口)：point.h#ifndef POINT_H#define POINT_Hextern const void * Point; /* 使用方法：new (Point, x, y); */#endif//Point内部头文件(外面看不到)：point.r#ifndef POINT_R#define POINT_Rstruct Point{const void * base; //继承，基类指针，放在第一个位置，const是防止修改int x, y; //坐标};#endif//Point的C文件：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;//测试程序：main.c#include “point.h”#include “new.h”int main (int argc, char ** argv){void * p = new(Point, 1, 2);draw(p);delete(p);} |
同样，Circle要继承Point，则可以这样：
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struct Circle{const struct Point point; //放在第一位，可表继承int radius;}; |
5、 多态
可以是用C语言中的万能指针void* 实现多态，接上面的例子：
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//测试main.cvoid * p = new(Point, 1, 2);void * pp = new(Circle, 1, 2);draw(p); //draw函数实现了多态draw(pp);delete(p);delete(pp); |
6、 总结
C语言能够模拟实现面向对象语言具有的特性，包括：多态，继承，封装等，现在很多开源软件都了用C语言实现了这几个特性，包括大型开源数据库系统postgreSQL，可移植的C语言面向对象框架GObject，无线二进制运行环境BREW。采用C语言实现多态，继承，封装，能够让软件有更好的可读性，可扩展性。
7、 参考资料
(1) 《C语言中extern和static用法》：
(2) 《三、使用GObject——私有成员和静态变量》:
(3) 《技巧：用 C 语言实现程序的多态性》：
(4) 书籍《Object-Oriented Programming With ANSI-C》
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