c语言实现封装、继承和多态

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_H
  
struct Point;
  
typedef struct Point point;
  
point * new_point(); //newer a point object
  
void 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_H
  
typedef 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 object
  
void 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_H
  
void * 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_H
  
struct 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_H
  
extern 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_R
  
struct 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.c
  
void * 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》:

http://www.cnblogs.com/hishope/archive/2008/08/28/1278822.html

(2)        《三、使用GObject——私有成员和静态变量》:

http://blog.csdn.net/wormsun/archive/2009/11/25/4874465.aspx

(3)        《技巧:用 C 语言实现程序的多态性》:

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-cpolym/index.html?ca=drs-

(4)       书籍《Object-Oriented Programming With ANSI-C》

8、  代码下载

本文中的代码可以在此处下载:代码下载

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