c語言支持面向對象的程序設計語言？

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。它表現出來的三個最基本的特性就是封裝、繼承與多態。很多面向對象的編程語言已經包含這三個特性了，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

封裝就是把數據和方法打包到一個類里面。其實C語言編程者應該都已經接觸過了，C 標準庫

中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函數的操作對象就是 FILE。數據內容就是 FILE，數據的讀寫操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 類比于構造函數，fclose() 就是析構函數。這個看起來似乎很好理解，那下面我們實現一下基本的封裝特性。#ifndef SHAPE_H#define SHAPE_H#include // Shape 的屬性typedef struct {

int16_t x;

int16_t y;

} Shape;// Shape 的操作函數，接口函數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 /* 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面向對象編程的思維。

3、繼承

繼承就是基于現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，去實現單繼承也非常簡單，只要把基類放到繼承類的第一個數據成員的位置就行了。

例如，我們現在要創建一個 Rectangle 類，我們只要繼承 Shape 類已經存在的屬性和操作，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

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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 對象的指針的函數中，就是一個函數的參數是 "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 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

C++ 語言實現多態就是使用虛函數。在 C 語言里面，也可以實現多態。

現在，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。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 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，接口函數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 */

看下加上虛函數之后的類關系圖

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虛函數類圖

4.1 虛表和虛指針

虛表(Virtual Table)是這個類所有虛函數的函數指針的集合。

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中。事實上，在構造函數中，C++ 編譯器隱式的創建了一個初始化的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 的構造函數里面，如何去初始化這個 vptr。#include "shape.h"#include // Shape 的虛函數static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me);static void Shape_draw_(Shape const * const me);// 構造函數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 類的虛函數實現static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me) {

assert(0); // 類似純虛函數

return 0U; // 避免警告}static void Shape_draw_(Shape const * const me) {

assert(0); // 純虛函數不能被調用}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

{ uint32_t area = Shape_area(shapes[i]);// 虛函數調用

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

{

Shape_draw(shapes[i]); // 虛函數調用

}

}

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，這也必須發生在子類的構造函數中。下面是 Rectangle 的構造函數。#include "rect.h" #include // Rectangle 虛函數static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me);static void Rectangle_draw_(Shape const * const me);// 構造函數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

me->super.vptr = &vtbl; // 重載 vptr

me->width = width;

me->height = height;

}// Rectangle's 虛函數實現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 虛函數調用

有了前面虛表(Virtual Tables)和虛指針(Virtual Pointers)的基礎實現，虛擬調用(后期綁定)就可以用下面代碼實現了。uint32_t Shape_area(Shape const * const me)

{ return (*me->vptr->area)(me);

}

這個函數可以放到.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函數(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)，我們可以用宏函數來實現，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：

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虛擬調用機制

4.5 main.c#include "rect.h" #include "circle.h" #include 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 語言實現封裝、單繼承，理解和實現起來比較簡單，多態反而會稍微復雜一點，如果打算廣泛的使用多態，還是推薦轉到 C++ 語言上，畢竟這層復雜性被這個語言給你封裝了，你只需要簡單的使用就行了。但并不代表，C 語言實現不了多態這個特性。