干货 | C语言实现面向对象编程（附代码）

嵌入式大杂烩 2021-03-08 00:00

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前言

GOF的《设计模式》一书的副标题叫做“可复用面向对象软件的基础”，从标题就能看出面向对象是设计模式基本思想。

由于C语言并不是面向对象的语言，C语言没有直接提供封装、继承、组合、多态等面向对象的功能，但C语言有struct和函数指针。我们可以用struct中的数据和函数指针，以此来模拟对象和类的行为。

所以在正式开始设计模式前，先看看如何用C语言实现面向对象编程。

本章针对面向对象的封装、继承、组合、多态给出C语言的实现方法。

封装

封装是指对象仅暴露必要的对外接口（这里指public方法）来和其它对象进行交互，其它的属性和行为都无需暴露，这使得对象的内部实现可以自由修改。

这也要求对象包含它能进行操作所需要的所有信息，不必依赖其它对象来完成自己的操作。

以下以电力公司的例子演示封装。

电力公司生产并提供电力。为了汇聚各种发电厂的电力并让用户获得电力，电力公司提供了两个统一接口：

1、电力公司汇聚各种发电厂的电力，无论是火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂等都使用一个接口。如果什么时候一家火力发电厂改造成了风力发电厂，发电厂的实现完全不一样了，但接口不变，所以电力公司感觉不到发电厂变了，不需要为了发电厂实现升级而改造电力公司的系统。

2、电力公司向用户提供电力，无论用户用电的设备是烤面包机还是洗衣机，电力公司和用户之间都使用一个接口（电源插座）。用户的用电设备可以千变万化，但接口（电源插座）不变。所以电力公司不用关系用户的什么设备在用电。

代码：

#include <stdio.h>

struct PowerCompany {
    int powerReserve;
    void (*PowerPlant)(struct PowerCompany *this, int power);
    void (*PowerUser)(struct PowerCompany *this, int power);
};


void PowerPlant(struct PowerCompany *this, int power)
{ 
    this->powerReserve += power;
    printf("默认发电厂，发电%d瓦\n", power); 
    return;  
}

void PowerUser(struct PowerCompany *this, int power)
{
    if (this->powerReserve >= power) {
        printf("用电%d瓦\n", power);
        this->powerReserve -= power;
    } else {
        printf("电力不足，用电失败\n");
    }
    return;
}

/* struct PowerCompany 的构造函数 */
void PowerCompany(struct PowerCompany *this)
{
    this->powerReserve = 0;
    this->PowerPlant = PowerPlant;
    this->PowerUser = PowerUser;
    return;
}

/* struct PowerCompany 的析构函数 */
void _PowerCompany(struct PowerCompany *this)
{

}

int main(void)
{
    struct PowerCompany myPowerCompany;
    PowerCompany(&myPowerCompany);

    /* 发电 */
    myPowerCompany.PowerPlant(&myPowerCompany, 1000);

    /* 用电 */
    myPowerCompany.PowerUser(&myPowerCompany, 800);
    myPowerCompany.PowerUser(&myPowerCompany, 800);
    
    _PowerCompany(&myPowerCompany);
    return 0;
}

从电力公司的例子中可以看出，良好的封装可以有效减少耦合性，封装内部实现可以自由修改，对系统的其它部分没有影响。

继承

面向对象编程最强大的功能之一就是代码重用，而继承就是实现代码重用的主要手段之一。继承允许一个类继承另一个类的属性和方法。

我们可以通过识别事物之间的共性，通过抽象公共属性和行为来构造父类，而通过继承父类来构造各子类。父类，即公共属性和行为，就得到了复用。

以下哺乳动物的例子演示继承。

猫和狗都是哺乳动物，它们具有公共的属性和行为。比如，猫和狗都有眼睛，且它们都会叫。

我们把眼睛的颜色、会叫抽象出来，作为哺乳动物父类的属性，让猫类、狗类都继承哺乳动物父类，可实现对”眼睛的颜色“、”会叫“实现的复用。

UML：

代码：

#include <stdio.h>

struct Mammal {
    int eyeColor;
    void (*ShowEyeColor)(struct Mammal *this);
    int callNum;
    void (*Call)(struct Mammal *this);
};

void ShowEyeColor(struct Mammal *this)
{
    if (this->eyeColor == 1) {
        printf("眼睛是绿色\n");
    } else {    
        printf("眼睛是蓝色\n");
    }
    return;
}

void Call(struct Mammal *this)
{
    printf("叫%d声\n", this->callNum);
    return;
}

// struct Mammal 的构造函数
void Mammal(struct Mammal *this, int eyeColor, int callNum)
{
    this->eyeColor = eyeColor;    
    this->ShowEyeColor = ShowEyeColor;  
    this->callNum = callNum;
    this->Call = Call;
    return;  
}

struct Dog {
    struct Mammal mammal;
};

// struct Dog 的构造函数
void Dog(struct Dog *this, int eyeColor, int callNum)
{
    Mammal(this, eyeColor, callNum);
    // 狗类的其它属性，略
    return;
}

// struct Dog 的析构函数
void  _Dog(struct Dog *this)
{

}

struct Cat {
    struct Mammal mammal;
    // 猫类的其它属性，略
};

// struct Cat 的构造函数
void Cat(struct Cat *this, int eyeColor, int callNum)
{
    Mammal(this, eyeColor, callNum);
    return;
}

// struct Cat 的析构函数
void  _Cat(struct Cat *this)
{

}

int main(void)
{
    struct Dog myDog;
    Dog(&myDog, 1, 3);
    myDog.mammal.ShowEyeColor(&myDog);
    myDog.mammal.Call(&myDog);
    _Dog(&myDog);
 
    struct Cat myCat;
    Cat(&myCat, 2, 5);
    myCat.mammal.ShowEyeColor(&myCat);
    myCat.mammal.Call(&myCat);
    _Cat(&myCat); 
    
    return 0;
}

多态

多态与继承是紧耦合的关系，但它通常作为面向对象技术中最强大的优点之一。

子类从继承父类的接口，每个子类是单独的实体，每个子类需要对同一消息有单独的应答。

每个子类对同一消息的应答采用继承的相同接口，但每个子类可以有不同的实现，这就是多态。

在猫和狗的例子中，猫类、狗类都继承了哺乳动物父类的“叫”的方法，但猫类、狗类的叫声并不一样，所以猫类、狗类可以采用不同的“叫”的实现。

以下代码演示了多态。

代码：

#include <stdio.h>

struct Mammal {
    int eyeColor;
    void (*ShowEyeColor)(struct Mammal *this);
    int callNum;
    void (*Call)(struct Mammal *this);
};

void ShowEyeColor(struct Mammal *this)
{
    if (this->eyeColor == 1) {
        printf("眼睛是绿色\n");
    } else {    
        printf("眼睛是蓝色\n");
    }
    return;
}

void Call(struct Mammal *this)
{
    printf("叫%d声\n", this->callNum);
    return;
}

/* struct Mammal 的构造函数 */
void Mammal(struct Mammal *this, int eyeColor, int callNum)
{
    this->eyeColor = eyeColor;    
    this->ShowEyeColor = ShowEyeColor;  
    this->callNum = callNum;
    this->Call = Call;
    return;  
}

struct Dog {
    struct Mammal mammal;
};

void Bark(struct Dog *this)
{
    int i;
    for (i = 0; i < this->mammal.callNum; i++) {
        printf("汪 ");
    }
    printf("\n");
    return;
}

/* struct Dog 的构造函数 */
void Dog(struct Dog *this, int eyeColor, int callNum)
{
    Mammal(this, eyeColor, callNum);
    this->mammal.Call = Bark;
    return;
}

// struct Dog 的析构函数
void  _Dog(struct Dog *this)
{

}

struct Cat {
    struct Mammal mammal;
};

void Meow(struct Cat *this)
{
    int i;
    for (i = 0; i < this->mammal.callNum; i++) {
        printf("喵 ");
    }
    printf("\n");
    return;
}

/* struct Cat 的构造函数 */
void Cat(struct Cat *this, int eyeColor, int callNum)
{
    Mammal(this, eyeColor, callNum);
    this->mammal.Call = Meow;
    return;
}

// struct Cat 的析构函数
void  _Cat(struct Cat *this)
{

}

int main(void)
{
    struct Dog myDog;
    Dog(&myDog, 1, 3);
    
    struct Cat myCat;
    Cat(&myCat, 2, 5);

    struct Mammal *myMammal;
    myMammal = &myDog;
    myMammal->Call(myMammal);
    myMammal = &myCat;
    myMammal->Call(myMammal);

    _Dog(&myDog);
    _Cat(&myCat);

    return 0;
}

组合

组合与继承都是面向对象中代码复用的方式，也只有通过组合和继承两种方式能够实现使用其他类构建新类。

在前面讲的继承关系中，我们把通用属性和行为抽象出来作为父类。

例如：猫、狗都是哺乳动物，它们具有哺乳动物通用的属性和行为。猫、狗与哺乳动物的关系是“is-a”，即猫、狗（is-a）哺乳动物。而组合关系体现的是“has-a”。以房子和窗户的关系举例。

我们可以单独构建窗户类，然后把窗户类应用到各种房子类上。此时房子（has-a）窗户，但绝不是窗户（is-a）房子。

以下UML和代码演示了组合。

UML：

代码

#include <stdio.h>

struct Window {
    int length;
    int width;
    void (*ShowWindow)(struct Window *this);
};

void ShowWindow(struct Window *this)
{
    printf("这是长%d厘米、宽%d厘米的窗户\n", this->length, this->width);
    return;
}

void Window(struct Window *this, int length, int width)
{
    this->length = length;
    this->width = width;
    this->ShowWindow = ShowWindow;
    return;
}

void _Window(struct Window *this)
{

}

struct House {
    struct Window *window;
    int livingRoomNum;
    int bedRoomNum;
    int bathRoomNum;
    void (*ShowHouse)(struct House *this);
};

void ShowHouse(struct House *this)
{
    printf("这是%d室%d厅%d卫的房子\n", this->bedRoomNum, this->livingRoomNum, this->bathRoomNum);
    return;
}


void House(struct House *this, int livingRoomNum, int bedRoomNum, int bathRoomNum)
{
    this->livingRoomNum = livingRoomNum;
    this->bedRoomNum = bedRoomNum;
    this->bathRoomNum = bathRoomNum;
    this->ShowHouse = ShowHouse;
    return;
}

void _House(struct House *this)
{

}

void main()
{
    struct House myHouse;
    House(&myHouse, 2, 3, 2);
    
    /* 组合是一种低耦合，如果不初始化，子类只是存放了一个空指针来占位关联。
       此处是与继承关系的区别。继承是一种强耦合，在继承关系中，无论如何子类拥有父类全部的信息。*/
    struct Window myWindow1;
    myHouse.window = &myWindow1;
    Window(myHouse.window, 100, 50);

    /* 通过获得其它对象的引用而在“运行时”动态定义 */
    myHouse.ShowHouse(&myHouse);
    myHouse.window->ShowWindow(myHouse.window);

    _Window();
    _House();

    return;
}

组合和继承的区别有以下几点：

组合关系体现的是“has-a”。继承关系体现的是“is-a”。

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