C实现类封装、继承、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：

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：

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）：

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：

//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:

#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。

//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：

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：

//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