1、引言
面向對象編程（OOP）並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，不要太拘泥於編程語言。
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 標准庫 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() 類比於構造函數，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 <stdint.h> // 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 <stdio.h> /* 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)
3、繼承
繼承就是基於現有的一個類去定義一個新類，這樣有助於重用代碼，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，再添加不同於 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
因為有這樣的內存布局，所以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 *”，並且這是非常安全的。
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 <stdio.h> 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，並且在 Shape 要擴展功能，我們要增加 area() 和 draw() 函數。但是 Shape 相當於抽象類，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 <stdint.h> 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) //用於虛函數調用 { return (*me->vptr->area)(me); } static inline void Shape_draw(Shape const * const me)//用於虛函數調用 { (*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
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於每個對象實例中，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 <assert.h> // 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 < nShapes; ++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 < nShapes; ++i) { Shape_draw(shapes[i]); // 虛函數調用 } }
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。並且，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 <stdio.h> // 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：
4.5 main.c
#include "rect.h" #include "circle.h" #include <stdio.h> 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，並不局限於某一種編程語言。
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封裝了，你只需要簡單的使用就行了。
但並不代表，C 語言實現不了多態這個特性。
轉自：
https://blog.csdn.net/onlyshi/article/details/81672279