一、前言

在嵌入式開發(fā)中，C/C++語(yǔ)言是使用最普及的，在C++11版本之前，它們的語(yǔ)法是比較相似的，只不過C++提供了面向?qū)ο蟮?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程方式。

雖然C++語(yǔ)言是從C語(yǔ)言發(fā)展而來的，但是今天的C++已經(jīng)不是當(dāng)年的C語(yǔ)言的擴(kuò)展了，從2011版本開始，更像是一門全新的語(yǔ)言。

那么沒有想過，當(dāng)初為什么要擴(kuò)展出C++？C語(yǔ)言有什么樣的缺點(diǎn)導(dǎo)致C++的產(chǎn)生？

C++在這幾個(gè)問題上的解決的確很好，但是隨著語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的逐步擴(kuò)充，C++語(yǔ)言的學(xué)習(xí)難度也逐漸加大。沒有開發(fā)過幾個(gè)項(xiàng)目，都不好意思說自己學(xué)會(huì)了C++，那些左值、右值、模板、模板參數(shù)、可變模板參數(shù)等等一堆的概念，真的不是使用2，3年就可以熟練掌握的。但是，C語(yǔ)言也有很多的優(yōu)點(diǎn)：

其實(shí)最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是最重要的：使用的人越多，生命力就越強(qiáng)。就像現(xiàn)在的社會(huì)一樣，不是優(yōu)者生存，而是適者生存。

這篇文章，我們就來聊聊如何在C語(yǔ)言中利用面向?qū)ο蟮乃枷雭砭幊?。也許你在項(xiàng)目中用不到，但是也強(qiáng)烈建議你看一下，因?yàn)槲抑霸谔鄣臅r(shí)候就兩次被問到這個(gè)問題。## 二、什么是面向?qū)ο缶幊?/p>

有這么一個(gè)公式：程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法。

C語(yǔ)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(duì)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(yǔ)言把數(shù)據(jù)和算法封裝在一起，形成一個(gè)整體，無(wú)論是對(duì)它的屬性進(jìn)行操作、還是對(duì)它的行為進(jìn)行調(diào)用，都是通過一個(gè)對(duì)象來執(zhí)行，這就是面向?qū)ο缶幊趟枷搿?/p>

如果用C語(yǔ)言來模擬這樣的編程方式，需要解決3個(gè)問題：

1. 數(shù)據(jù)的封裝
2. 繼承
3. 多態(tài)

第一個(gè)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(gè)對(duì)象的所有屬性(數(shù)據(jù))組織在一起，C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體類型天生就支持這一點(diǎn)。

第二個(gè)問題：繼承

繼承描述的是對(duì)象之間的關(guān)系，子類通過繼承父類，自動(dòng)擁有父類中的屬性和行為(也就是方法)。這個(gè)問題只要理解了C語(yǔ)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(gè)成員變量的位置放置一個(gè)父類結(jié)構(gòu)體變量，那么子類對(duì)象就繼承了父類中的屬性。

另外補(bǔ)充一點(diǎn)：學(xué)習(xí)任何一種語(yǔ)言，一定要理解內(nèi)存模型！#### 第三個(gè)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(dòng)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(shí)候才發(fā)生多態(tài)，也就是說多態(tài)是發(fā)生在運(yùn)行期間的，C++內(nèi)部通過一個(gè)虛表來實(shí)現(xiàn)多態(tài)。那么在C語(yǔ)言中，我們也可以按照這個(gè)思路來實(shí)現(xiàn)。

如果一門語(yǔ)言只支持類，而不支持多態(tài)，只能說它是基于對(duì)象的，而不是面向?qū)ο蟮摹?/p>

既然思路上沒有問題，那么我們就來簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)一個(gè)。

三、先實(shí)現(xiàn)一個(gè)父類，解決封裝的問題

Animal.h

#ifndef _ANIMAL_H_#define _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voidAnimal_Ctor(Animal *this, int age, int weight);
// 獲取父類屬性聲明intAnimal_GetAge(Animal *this);intAnimal_GetWeight(Animal *this);
#endif

#include"Animal.h"
// 父類構(gòu)造函數(shù)實(shí)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(cè)試一下：

#include #include "Animal.h"#include "Dog.h"
int main(){    // 在棧上創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象    Animal a;      // 構(gòu)造對(duì)象    Animal_Ctor(&a, 1, 3);     printf("age = %d, weight = %d \\n",             Animal_GetAge(&a),            Animal_GetWeight(&a));    return 0;}

可以簡(jiǎn)單的理解為：在代碼段有一塊空間，存儲(chǔ)著可以處理Animal對(duì)象的函數(shù)；在棧中有一塊空間，存儲(chǔ)著a對(duì)象。

與C++對(duì)比：在C++的方法中，隱含著第一個(gè)參數(shù)this指針。當(dāng)調(diào)用一個(gè)對(duì)象的方法時(shí)，編譯器會(huì)自動(dòng)把對(duì)象的地址傳遞給這個(gè)指針。所以，在Animal.h中函數(shù)我們就模擬一下，顯示的定義這個(gè)this指針，在調(diào)用時(shí)主動(dòng)把對(duì)象的地址傳遞給它，這樣的話，函數(shù)就可以對(duì)任意一個(gè)Animal對(duì)象進(jìn)行處理了。

四、 實(shí)現(xiàn)一個(gè)子類，解決繼承的問題

Dog.h

#ifndef _DOG_H_#define _DOG_H_
#include"Animal.h"
// 定義子類結(jié)構(gòu)typedef struct {    Animal parent; // 第一個(gè)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voidDog_Ctor(Dog *this, int age, int weight, int legs);
// 子類屬性聲明intDog_GetAge(Dog *this);intDog_GetWeight(Dog *this);intDog_GetLegs(Dog *this);
#endif

#include"Dog.h"
// 子類構(gòu)造函數(shù)實(shí)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(cè)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(chǔ)著可以處理Dog對(duì)象的函數(shù)；在棧中有一塊空間，存儲(chǔ)著d對(duì)象。由于Dog結(jié)構(gòu)體中的第一個(gè)參數(shù)是Animal對(duì)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。

Dog的內(nèi)存模型中開頭部分就自動(dòng)包括了Animal中的成員，也即是說Dog繼承了Animal的屬性。## 五、利用虛函數(shù)，解決多態(tài)問題

在C++中，如果一個(gè)父類中定義了虛函數(shù)，那么編譯器就會(huì)在這個(gè)內(nèi)存中開辟一塊空間放置虛表，這張表里的每一個(gè)item都是一個(gè)函數(shù)指針，然后在父類的內(nèi)存模型中放一個(gè)虛表指針，指向上面這個(gè)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(huì)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。

既然C++是這么做的，那我們就用C來手動(dòng)模擬這個(gè)行為：創(chuàng)建虛表和虛表指針。#### 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(shí)現(xiàn)的虛函數(shù)void Animal_Say(Animal *this);
#endif

2. Animal.c

#include #include "Animal.h"
// 父類中虛函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)static void _Animal_Say(Animal *this){    // 因?yàn)楦割怉nimal是一個(gè)抽象的東西，不應(yīng)該被實(shí)例化。    // 父類中的這個(gè)虛函數(shù)不應(yīng)該被調(diào)用，也就是說子類必須實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(gè)虛表    static struct AnimalVTable animal_vtbl = {_Animal_Say};    // 讓虛表指針指向上面這個(gè)虛表    this->vptr = &animal_vtbl;    this->age = age;    this->weight = weight;}
// 測(cè)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(shí)際指向一個(gè)子類Dog對(duì)象，那么this->vptr這個(gè)虛表指針指向子類自己的虛表，    // 因此，this->vptr->say將會(huì)調(diào)用子類虛表中的函數(shù)。    this->vptr->say(this);}

在?？臻g定義了一個(gè)虛函數(shù)表animal_vtbl，這個(gè)表中的每一項(xiàng)都是一個(gè)函數(shù)指針，例如：函數(shù)指針say就指向了代碼段中的函數(shù)_Animal_Say()。 > 對(duì)象a的第一個(gè)成員vptr是一個(gè)指針，指向了這個(gè)虛函數(shù)表animal_vtbl。#### 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(shí)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(cè)試一下

int main(){    // 在棧中創(chuàng)建一個(gè)子類Dog對(duì)象    Dog d;      Dog_Ctor(&d, 1, 3, 4);
    // 把子類對(duì)象賦值給父類指針    Animal *pa = &d;
    // 傳遞父類指針，將會(huì)調(diào)用子類中實(shí)現(xiàn)的虛函數(shù)。    Animal_Say(pa);}

內(nèi)存模型如下:

對(duì)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(shí)候，雖然參數(shù)類型是指向父類Animal的指針，但是實(shí)際傳入的pa是一個(gè)指向子類Dog的對(duì)象，這個(gè)對(duì)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(gè)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(gè)代碼很簡(jiǎn)單，自己手敲一下就可以了。如果想偷懶，請(qǐng)?jiān)诤笈_(tái)留言，我發(fā)給您。

六、C面向?qū)ο笏枷朐陧?xiàng)目中的使用

1. Linux內(nèi)核

看一下關(guān)于socket的幾個(gè)結(jié)構(gòu)體：

struct sock {    ...}
struct inet_sock {    struct sock sk;    ...};
struct udp_sock {    struct sock sk;    ...};

sock可以看作是父類，inet_sock和udp_sock的第一個(gè)成員都是是sock類型，從內(nèi)存模型上看相當(dāng)于是繼承了sock中的所有屬性。#### 2. glib庫(kù)

以最簡(jiǎn)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(gè)參數(shù)都是一個(gè)GString對(duì)象指針，指向需要處理的那個(gè)字符串對(duì)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(xiàng)目

還有一些項(xiàng)目，雖然從函數(shù)的參數(shù)上來看，似乎不是面向?qū)ο蟮模窃跀?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上看來，也是面向?qū)ο蟮乃枷耄热纾?/p>

1. Modbus協(xié)議的開源庫(kù)libmodbus
2. 用于家庭自動(dòng)化的無(wú)線通訊協(xié)議ZWave
3. 很久之前的高通手機(jī)開發(fā)平臺(tái)BREW