一步步分析-C語言如何面向?qū)ο缶幊?/h1>
一、前言
在嵌入式開發(fā)中，C/C++語言是使用最普及的，在C++11版本之前，它們的語法是比較相似的，只不過C++提供了面向?qū)ο?/span>的編程方式。
雖然C++語言是從C語言發(fā)展而來的，但是今天的C++已經(jīng)不是當(dāng)年的C語言的擴(kuò)展了，從2011版本開始，更像是一門全新的語言。
那么沒有想過，當(dāng)初為什么要擴(kuò)展出C++？C語言有什么樣的缺點導(dǎo)致C++的產(chǎn)生？
但是，C語言也有很多的優(yōu)點：
二、什么是面向?qū)ο缶幊?/span>
有這么一個公式：程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法。
C語言中一般使用面向過程編程，就是分析出解決問題所需要的步驟，然后用函數(shù)把這些步驟一步一步調(diào)用，在函數(shù)中對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理(執(zhí)行算法)，也就是說數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法是分開的。
C++語言把數(shù)據(jù)和算法封裝在一起，形成一個整體，無論是對它的屬性進(jìn)行操作、還是對它的行為進(jìn)行調(diào)用，都是通過一個對象來執(zhí)行，這就是面向?qū)ο缶幊趟枷搿?/span>
如果用C語言來模擬這樣的編程方式，需要解決3個問題：
數(shù)據(jù)的封裝 繼承 多態(tài)
第一個問題：封裝
封裝描述的是數(shù)據(jù)的組織形式，就是把屬于一個對象的所有屬性(數(shù)據(jù))組織在一起，C語言中的結(jié)構(gòu)體類型天生就支持這一點。
第二個問題：繼承
繼承描述的是對象之間的關(guān)系，子類通過繼承父類，自動擁有父類中的屬性和行為(也就是方法)。這個問題只要理解了C語言的內(nèi)存模型，也不是問題，只要在子類結(jié)構(gòu)體中的第一個成員變量的位置放置一個父類結(jié)構(gòu)體變量，那么子類對象就繼承了父類中的屬性。
另外補(bǔ)充一點：學(xué)習(xí)任何一種語言，一定要理解內(nèi)存模型！第三個問題：多態(tài)
按字面理解，多態(tài)就是“多種狀態(tài)”，描述的是一種動態(tài)的行為。在C++中，只有通過基類引用或者指針，去調(diào)用虛函數(shù)的時候才發(fā)生多態(tài)，也就是說多態(tài)是發(fā)生在運行期間的，C++內(nèi)部通過一個虛表來實現(xiàn)多態(tài)。那么在C語言中，我們也可以按照這個思路來實現(xiàn)。
如果一門語言只支持類，而不支持多態(tài)，只能說它是基于對象的，而不是面向?qū)ο蟮摹?/span>
既然思路上沒有問題，那么我們就來簡單的實現(xiàn)一個。
三、先實現(xiàn)一個父類，解決封裝的問題
Animal.h
// 定義父類結(jié)構(gòu)typedef struct { int age; int weight;} Animal;
// 構(gòu)造函數(shù)聲明void Animal_Ctor(Animal *this, int age, int weight);
// 獲取父類屬性聲明int Animal_GetAge(Animal *this);int Animal_GetWeight(Animal *this);
Animal.c
// 父類構(gòu)造函數(shù)實現(xiàn)void Animal_Ctor(Animal *this, int age, int weight){ this->age = age; this->weight = weight;}
int Animal_GetAge(Animal *this){ return this->age;}
int Animal_GetWeight(Animal *this){ return this->weight;}
測試一下：
#include <stdio.h>#include "Animal.h"#include "Dog.h"
int main(){ // 在棧上創(chuàng)建一個對象 Animal a; // 構(gòu)造對象 Animal_Ctor(&a, 1, 3); printf("age = %d, weight = %d \n", Animal_GetAge(&a), Animal_GetWeight(&a)); return 0;}
可以簡單的理解為：在代碼段有一塊空間，存儲著可以處理Animal對象的函數(shù)；在棧中有一塊空間，存儲著a對象。
所以，在Animal.h中函數(shù)我們就模擬一下，顯示的定義這個this指針，在調(diào)用時主動把對象的地址傳遞給它，這樣的話，函數(shù)就可以對任意一個Animal對象進(jìn)行處理了。
四、 實現(xiàn)一個子類，解決繼承的問題
Dog.h
// 定義子類結(jié)構(gòu)typedef struct { Animal parent; // 第一個位置放置父類結(jié)構(gòu) int legs; // 添加子類自己的屬性}Dog;
// 子類構(gòu)造函數(shù)聲明void Dog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs);
// 子類屬性聲明int Dog_GetAge(Dog *this);int Dog_GetWeight(Dog *this);int Dog_GetLegs(Dog *this);
Dog.c
// 子類構(gòu)造函數(shù)實現(xiàn)void Dog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs){ // 首先調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)，來初始化從父類繼承的數(shù)據(jù) Animal_Ctor(&this->parent, age, weight); // 然后初始化子類自己的數(shù)據(jù) this->legs = legs;}
int Dog_GetAge(Dog *this){ // age屬性是繼承而來，轉(zhuǎn)發(fā)給父類中的獲取屬性函數(shù) return Animal_GetAge(&this->parent);}
int Dog_GetWeight(Dog *this){ return Animal_GetWeight(&this->parent);}
int Dog_GetLegs(Dog *this){ // 子類自己的屬性，直接返回 return this->legs;}
測試一下：
int main(){ Dog d; Dog_Ctor(&d, 1, 3, 4); printf("age = %d, weight = %d, legs = %d \n", Dog_GetAge(&d), Dog_GetWeight(&d), Dog_GetLegs(&d)); return 0;}
在代碼段有一塊空間，存儲著可以處理Dog對象的函數(shù)；在棧中有一塊空間，存儲著d對象。由于Dog結(jié)構(gòu)體中的第一個參數(shù)是Animal對象，所以從內(nèi)存模型上看，子類就包含了父類中定義的屬性。
五、利用虛函數(shù)，解決多態(tài)問題
在C++中，如果一個父類中定義了虛函數(shù)，那么編譯器就會在這個內(nèi)存中開辟一塊空間放置虛表，這張表里的每一個item都是一個函數(shù)指針，然后在父類的內(nèi)存模型中放一個虛表指針，指向上面這個虛表。
上面這段描述不是十分準(zhǔn)確，主要看各家編譯器的處理方式，不過大部分C++處理器都是這么干的，我們可以想這么理解。
子類在繼承父類之后，在內(nèi)存中又會開辟一塊空間來放置子類自己的虛表，然后讓繼承而來的虛表指針指向子類自己的虛表。
1. Animal.h為父類Animal中，添加虛表和虛表指針
#ifndef _ANIMAL_H_#define _ANIMAL_H_
struct AnimalVTable; // 父類虛表的前置聲明
// 父類結(jié)構(gòu)typedef struct { struct AnimalVTable *vptr; // 虛表指針 int age; int weight;} Animal;
// 父類中的虛表struct AnimalVTable{ void (*say)(Animal *this); // 虛函數(shù)指針};
// 父類中實現(xiàn)的虛函數(shù)void Animal_Say(Animal *this);
#endif
2. Animal.c
#include <assert.h>#include "Animal.h"
// 父類中虛函數(shù)的具體實現(xiàn)static void _Animal_Say(Animal *this){ // 因為父類Animal是一個抽象的東西，不應(yīng)該被實例化。 // 父類中的這個虛函數(shù)不應(yīng)該被調(diào)用，也就是說子類必須實現(xiàn)這個虛函數(shù)。 // 類似于C++中的純虛函數(shù)。 assert(0); }
// 父類構(gòu)造函數(shù)void Animal_Ctor(Animal *this, int age, int weight){ // 首先定義一個虛表 static struct AnimalVTable animal_vtbl = {_Animal_Say}; // 讓虛表指針指向上面這個虛表 this->vptr = &animal_vtbl; this->age = age; this->weight = weight;}
// 測試多態(tài)：傳入的參數(shù)類型是父類指針void Animal_Say(Animal *this){ // 如果this實際指向一個子類Dog對象，那么this->vptr這個虛表指針指向子類自己的虛表， // 因此，this->vptr->say將會調(diào)用子類虛表中的函數(shù)。 this->vptr->say(this);}
3. Dog.h不變
4. Dog.c中定義子類自己的虛表
#include "Dog.h"
// 子類中虛函數(shù)的具體實現(xiàn)static void _Dog_Say(Dog *this){ printf("dag say \n");}
// 子類構(gòu)造函數(shù)void Dog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs){ // 首先調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)。 Animal_Ctor(&this->parent, age, weight); // 定義子類自己的虛函數(shù)表 static struct AnimalVTable dog_vtbl = {_Dog_Say}; // 把從父類中繼承得到的虛表指針指向子類自己的虛表 this->parent.vptr = &dog_vtbl; // 初始化子類自己的屬性 this->legs = legs;}
5. 測試一下
int main(){ // 在棧中創(chuàng)建一個子類Dog對象 Dog d; Dog_Ctor(&d, 1, 3, 4);
// 把子類對象賦值給父類指針 Animal *pa = &d;
// 傳遞父類指針，將會調(diào)用子類中實現(xiàn)的虛函數(shù)。 Animal_Say(pa);}
內(nèi)存模型如下:
對象d中，從父類繼承而來的虛表指針vptr，所指向的虛表是dog_vtbl。
在執(zhí)行Animal_Say(pa)的時候，雖然參數(shù)類型是指向父類Animal的指針，但是實際傳入的pa是一個指向子類Dog的對象，這個對象中的虛表指針vptr指向的是子類中自己定義的虛表dog_vtbl，這個虛表中的函數(shù)指針say指向的是子類中重新定義的虛函數(shù)_Dog_Say，因此this->vptr->say(this)最終調(diào)用的函數(shù)就是_Dog_Say。
基本上，在C中面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想就是以上這樣。這個代碼很簡單，自己手敲一下就可以了。如果想偷懶，請在后臺留言，我發(fā)給您。
六、C面向?qū)ο笏枷朐陧椖恐械氖褂?/span>
1. Linux內(nèi)核
看一下關(guān)于socket的幾個結(jié)構(gòu)體：
struct sock { ...}
struct inet_sock { struct sock sk; ...};
struct udp_sock { struct sock sk; ...};
2. glib庫
以最簡單的字符串處理函數(shù)來舉例：
GString *g_string_truncate(GString *string, gint len)GString *g_string_append(GString *string, gchar *val)GString *g_string_prepend(GString *string, gchar *val)
API函數(shù)的第一個參數(shù)都是一個GString對象指針，指向需要處理的那個字符串對象。
GString *s1, *s2;s1 = g_string_new("Hello");s2 = g_string_new("Hello");
g_string_append(s1," World!");g_string_append(s2," World!");
3. 其他項目
還有一些項目，雖然從函數(shù)的參數(shù)上來看，似乎不是面向?qū)ο蟮?，但是在?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計上看來，也是面向?qū)ο蟮乃枷耄热纾?/span>
1. Modbus協(xié)議的開源庫libmodbus
2. 用于家庭自動化的無線通訊協(xié)議ZWave
3. 很久之前的高通手機(jī)開發(fā)平臺BREW
一、前言
在嵌入式開發(fā)中，C/C++語言是使用最普及的，在C++11版本之前，它們的語法是比較相似的，只不過C++提供了面向?qū)ο?/span>的編程方式。
雖然C++語言是從C語言發(fā)展而來的，但是今天的C++已經(jīng)不是當(dāng)年的C語言的擴(kuò)展了，從2011版本開始，更像是一門全新的語言。
那么沒有想過，當(dāng)初為什么要擴(kuò)展出C++？C語言有什么樣的缺點導(dǎo)致C++的產(chǎn)生？
但是，C語言也有很多的優(yōu)點：
二、什么是面向?qū)ο缶幊?/span>
有這么一個公式：程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法。
C語言中一般使用面向過程編程，就是分析出解決問題所需要的步驟，然后用函數(shù)把這些步驟一步一步調(diào)用，在函數(shù)中對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理(執(zhí)行算法)，也就是說數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法是分開的。
C++語言把數(shù)據(jù)和算法封裝在一起，形成一個整體，無論是對它的屬性進(jìn)行操作、還是對它的行為進(jìn)行調(diào)用，都是通過一個對象來執(zhí)行，這就是面向?qū)ο缶幊趟枷搿?/span>
如果用C語言來模擬這樣的編程方式，需要解決3個問題：
數(shù)據(jù)的封裝 繼承 多態(tài)
第一個問題：封裝
封裝描述的是數(shù)據(jù)的組織形式，就是把屬于一個對象的所有屬性(數(shù)據(jù))組織在一起，C語言中的結(jié)構(gòu)體類型天生就支持這一點。
第二個問題：繼承
繼承描述的是對象之間的關(guān)系，子類通過繼承父類，自動擁有父類中的屬性和行為(也就是方法)。這個問題只要理解了C語言的內(nèi)存模型，也不是問題，只要在子類結(jié)構(gòu)體中的第一個成員變量的位置放置一個父類結(jié)構(gòu)體變量，那么子類對象就繼承了父類中的屬性。
另外補(bǔ)充一點：學(xué)習(xí)任何一種語言，一定要理解內(nèi)存模型！第三個問題：多態(tài)
按字面理解，多態(tài)就是“多種狀態(tài)”，描述的是一種動態(tài)的行為。在C++中，只有通過基類引用或者指針，去調(diào)用虛函數(shù)的時候才發(fā)生多態(tài)，也就是說多態(tài)是發(fā)生在運行期間的，C++內(nèi)部通過一個虛表來實現(xiàn)多態(tài)。那么在C語言中，我們也可以按照這個思路來實現(xiàn)。
如果一門語言只支持類，而不支持多態(tài)，只能說它是基于對象的，而不是面向?qū)ο蟮摹?/span>
既然思路上沒有問題，那么我們就來簡單的實現(xiàn)一個。
三、先實現(xiàn)一個父類，解決封裝的問題
Animal.h
// 定義父類結(jié)構(gòu)typedef struct {int age;int weight;} Animal;// 構(gòu)造函數(shù)聲明void Animal_Ctor(Animal *this, int age, int weight);// 獲取父類屬性聲明int Animal_GetAge(Animal *this);int Animal_GetWeight(Animal *this);Animal.c// 父類構(gòu)造函數(shù)實現(xiàn)void Animal_Ctor(Animal *this, int age, int weight){this->age = age;this->weight = weight;}int Animal_GetAge(Animal *this){return this->age;}int Animal_GetWeight(Animal *this){return this->weight;}
測試一下：
#include <stdio.h>#include "Animal.h"#include "Dog.h"int main(){// 在棧上創(chuàng)建一個對象Animal a;// 構(gòu)造對象Animal_Ctor(&a, 1, 3);printf("age = %d, weight = %d \n",Animal_GetAge(&a),Animal_GetWeight(&a));return 0;}
可以簡單的理解為：在代碼段有一塊空間，存儲著可以處理Animal對象的函數(shù)；在棧中有一塊空間，存儲著a對象。
所以，在Animal.h中函數(shù)我們就模擬一下，顯示的定義這個this指針，在調(diào)用時主動把對象的地址傳遞給它，這樣的話，函數(shù)就可以對任意一個Animal對象進(jìn)行處理了。
四、 實現(xiàn)一個子類，解決繼承的問題
Dog.h
// 定義子類結(jié)構(gòu)typedef struct {Animal parent; // 第一個位置放置父類結(jié)構(gòu)int legs; // 添加子類自己的屬性}Dog;// 子類構(gòu)造函數(shù)聲明void Dog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs);// 子類屬性聲明int Dog_GetAge(Dog *this);int Dog_GetWeight(Dog *this);int Dog_GetLegs(Dog *this);Dog.c// 子類構(gòu)造函數(shù)實現(xiàn)void Dog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs){// 首先調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)，來初始化從父類繼承的數(shù)據(jù)Animal_Ctor(&this->parent, age, weight);// 然后初始化子類自己的數(shù)據(jù)this->legs = legs;}int Dog_GetAge(Dog *this){// age屬性是繼承而來，轉(zhuǎn)發(fā)給父類中的獲取屬性函數(shù)return Animal_GetAge(&this->parent);}int Dog_GetWeight(Dog *this){return Animal_GetWeight(&this->parent);}int Dog_GetLegs(Dog *this){// 子類自己的屬性，直接返回return this->legs;}
測試一下：
int main(){Dog d;Dog_Ctor(&d, 1, 3, 4);printf("age = %d, weight = %d, legs = %d \n",Dog_GetAge(&d),Dog_GetWeight(&d),Dog_GetLegs(&d));return 0;}
在代碼段有一塊空間，存儲著可以處理Dog對象的函數(shù)；在棧中有一塊空間，存儲著d對象。由于Dog結(jié)構(gòu)體中的第一個參數(shù)是Animal對象，所以從內(nèi)存模型上看，子類就包含了父類中定義的屬性。
五、利用虛函數(shù)，解決多態(tài)問題
在C++中，如果一個父類中定義了虛函數(shù)，那么編譯器就會在這個內(nèi)存中開辟一塊空間放置虛表，這張表里的每一個item都是一個函數(shù)指針，然后在父類的內(nèi)存模型中放一個虛表指針，指向上面這個虛表。
上面這段描述不是十分準(zhǔn)確，主要看各家編譯器的處理方式，不過大部分C++處理器都是這么干的，我們可以想這么理解。
子類在繼承父類之后，在內(nèi)存中又會開辟一塊空間來放置子類自己的虛表，然后讓繼承而來的虛表指針指向子類自己的虛表。
1. Animal.h為父類Animal中，添加虛表和虛表指針
#ifndef _ANIMAL_H_#define _ANIMAL_H_struct AnimalVTable; // 父類虛表的前置聲明// 父類結(jié)構(gòu)typedef struct {struct AnimalVTable *vptr; // 虛表指針int age;int weight;} Animal;// 父類中的虛表struct AnimalVTable{void (*say)(Animal *this); // 虛函數(shù)指針};// 父類中實現(xiàn)的虛函數(shù)void Animal_Say(Animal *this);#endif
2. Animal.c
#include <assert.h>#include "Animal.h"// 父類中虛函數(shù)的具體實現(xiàn)static void _Animal_Say(Animal *this){// 因為父類Animal是一個抽象的東西，不應(yīng)該被實例化。// 父類中的這個虛函數(shù)不應(yīng)該被調(diào)用，也就是說子類必須實現(xiàn)這個虛函數(shù)。// 類似于C++中的純虛函數(shù)。assert(0);}// 父類構(gòu)造函數(shù)void Animal_Ctor(Animal *this, int age, int weight){// 首先定義一個虛表static struct AnimalVTable animal_vtbl = {_Animal_Say};// 讓虛表指針指向上面這個虛表this->vptr = &animal_vtbl;this->age = age;this->weight = weight;}// 測試多態(tài)：傳入的參數(shù)類型是父類指針void Animal_Say(Animal *this){// 如果this實際指向一個子類Dog對象，那么this->vptr這個虛表指針指向子類自己的虛表，// 因此，this->vptr->say將會調(diào)用子類虛表中的函數(shù)。this->vptr->say(this);}
3. Dog.h不變
4. Dog.c中定義子類自己的虛表
#include "Dog.h"// 子類中虛函數(shù)的具體實現(xiàn)static void _Dog_Say(Dog *this){printf("dag say \n");}// 子類構(gòu)造函數(shù)void Dog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs){// 首先調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)。Animal_Ctor(&this->parent, age, weight);// 定義子類自己的虛函數(shù)表static struct AnimalVTable dog_vtbl = {_Dog_Say};// 把從父類中繼承得到的虛表指針指向子類自己的虛表this->parent.vptr = &dog_vtbl;// 初始化子類自己的屬性this->legs = legs;}
5. 測試一下
int main(){// 在棧中創(chuàng)建一個子類Dog對象Dog d;Dog_Ctor(&d, 1, 3, 4);// 把子類對象賦值給父類指針Animal *pa = &d;// 傳遞父類指針，將會調(diào)用子類中實現(xiàn)的虛函數(shù)。Animal_Say(pa);}
內(nèi)存模型如下:
對象d中，從父類繼承而來的虛表指針vptr，所指向的虛表是dog_vtbl。
在執(zhí)行Animal_Say(pa)的時候，雖然參數(shù)類型是指向父類Animal的指針，但是實際傳入的pa是一個指向子類Dog的對象，這個對象中的虛表指針vptr指向的是子類中自己定義的虛表dog_vtbl，這個虛表中的函數(shù)指針say指向的是子類中重新定義的虛函數(shù)_Dog_Say，因此this->vptr->say(this)最終調(diào)用的函數(shù)就是_Dog_Say。
基本上，在C中面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想就是以上這樣。這個代碼很簡單，自己手敲一下就可以了。如果想偷懶，請在后臺留言，我發(fā)給您。
六、C面向?qū)ο笏枷朐陧椖恐械氖褂?/span>
1. Linux內(nèi)核
看一下關(guān)于socket的幾個結(jié)構(gòu)體：
struct sock {...}struct inet_sock {struct sock sk;...};struct udp_sock {struct sock sk;...};
2. glib庫
以最簡單的字符串處理函數(shù)來舉例：
GString *g_string_truncate(GString *string, gint len)GString *g_string_append(GString *string, gchar *val)GString *g_string_prepend(GString *string, gchar *val)
API函數(shù)的第一個參數(shù)都是一個GString對象指針，指向需要處理的那個字符串對象。
GString *s1, *s2;s1 = g_string_new("Hello");s2 = g_string_new("Hello");g_string_append(s1," World!");g_string_append(s2," World!");
3. 其他項目
還有一些項目，雖然從函數(shù)的參數(shù)上來看，似乎不是面向?qū)ο蟮?，但是在?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計上看來，也是面向?qū)ο蟮乃枷耄热纾?/span>
1. Modbus協(xié)議的開源庫libmodbus
2. 用于家庭自動化的無線通訊協(xié)議ZWave
3. 很久之前的高通手機(jī)開發(fā)平臺BREW