基于C语言的面向对象编程

嵌入式软件开发中，虽然很多的开发工具已经支持C++的开发，但是因为有时考虑运行效率和编程习惯，还是有很多人喜欢用C来开发嵌入式软件。Miro Samek说：“我在开发现场发现，很多嵌入式软件开发者(绝大多数是电子工程师)都有工作背景而且他们常常不喜欢用C++。”【1】

面向对象编程(OOP)是一种方法，而不依赖于某特定语言。一般认为，OOP只能使用面向对象的语言，如Smalltalk、C++或Java等固有支持OOP的语言。但是，OOP并不依赖于特殊的语言，只要实现了OOP的封装、继承和多态性这三大基本特性，使用非固有支持面向对象的语言，也可以进行面向对象的编程。

面向对象编程方法的三大基本特性是：

• 封装性---封装数据（属性）与函数（方法）到类中的能力；
• 继承性---基于已有的类定义新类的能力；
• 多态性---在运行时具有一致接口的对象相互替换的能力。

虽然这些特性与面向对象语言有关，但几乎可以用任何语言实现面向对象的这三大基本特性，包括C语言和汇编语言等。事实上，不管实现语言为何，任何大的软件系统几乎都会以某种形式使用抽象(封装)、继承或多态性。

1.C语言的封装

1.1 封装的本质

在C++中，一个类中包括属性和方法，声明一个类例子如下：

class A {
  int n;                 //属性
  A();                   //构造函数
  void function1(int x){...}; //方法
}

在C++中，用A生成两个对象a1和a2时，如下：

A a1 = new A();
A a2 = new A();

对于非模板类A，在内存中，对所有的对象，方法function1只有一个拷贝，而对每个对象，都有自己独立的一份属性拷贝，也就是有多个属性拷贝，所谓创建一个对象，也就是创建一套属性。

调用a1.function1()和a2.function1()时，每个对象使用自己的属性n1和n2，而方法代码在内存中是同一套。这就相当于调用functin1(n1,x)和function1(n2,x)。

在C语言实现中，把所有的属性放到一个结构中，所有方法中第一个参数用一个指向自己属性结构的一个指针me, 如下：
function1(struct *me, ...);
这个方法对所有对象有用，具体对哪个对象的属性操作，可以用me来区分。

1.2 具体例子

生成两个文件person.h和person.c，定义一个Person结构类型(也就是类名称)，把属性放到结构中，方法中的第一个参数me是Person的引用指针。

pers1.2on.h文件：
在头文件中以结构定义类成员属性，声明构造方法和析构方法，声明public方法。

#ifndef PERSON_H
#define PERSON_H

    /*1.定义类成员属性(没有隐藏)*/
    typedef struct PersonTag {
        String name__; /*属性*/
        uint8_t age__; /*属性*/
    }Person;  

    /*2.声明构造和析构函数*/
    void Person_Ctor(Person *me, uint8_t age);/*第一个参数指向属性*/
    void Person_Xtor(Person *me);/*第一个参数指向属性*/

    /*3.声明public方法*/
    void Person_setName(Person *me, String name);/*第一个参数指向属性*/
    String Person_getName(Person *me);/*第一个参数指向属性*/

    /*4.声明private方法(要在person.c文件中声明)*/ 

#endif

person.c文件：
在.c文件中声明private方法，并实现所有的方法。

#include "person.h"

/*1.声明private方法, 用static修饰*/
static void Person_setAge(Person *me, uint8_t age);/*第一个参数指向属性*/
static uint8_t Person_getAge(Person *me);/*第一个参数指向属性*/

/*2.实现构造和析构函数*/
void Person_Ctor(Person *me, uint8_t age) {
    me->age__ = age;
}
void Person_Xtor(Person *me) {
    ...
}

/*3.实现public方法*/
void Person_setName(Person *me, String name) {
    me->name__ = name;
}
String Person_getName(Person *me) {
    return me->name__;
}

/*4.实现private方法*/
void Person_setAge(Person *me, uint8_t age) {
    me->age__ = age;
}
uint8_t Person_getAge(Person *me) {
    return me->age__;
}

app.c中使用Person类：

#include "person.h"  /*包含头*/
void main() {
    String tmp;
    Person l_ps1; /*创建一个实例，实际就是一个属性*/
    Person l_ps2; /*创建另一个实例，实际就是另一个属性*/

    Person_Ctor(l_ps1, 30);      /*显式调用构造函数*/
    Person_setName(l_ps1,"张三"); /*使用其public方法*/
    tmp = Person_getName(l_ps1); /*使用其public方法*/

    Person_Ctor(l_ps2, 30);       /*使用其public方法*/
    Person_setName(l_ps2, "李四"); /*使用其public方法*/
    tmp = Person_getName(l_ps2);  /*使用其public方法*/
}

2.C语言的继承

Student继承自Person, 继承类属性结构的第一个参数指向父类属性，这样可以满足Liskov替换原则。

student.h文件：
在头文件中以结构定义类成员属性，并声明构造、析构函数和public方法。

#ifndef STUDENT_H
#define STUDENT_H
#include "person.h"  /*包含父类头*/

    /*1.定义类属性(没有隐藏)*/
    typedef struct StudentTag {
        Person super;   /*第一个参数指向父类Person，继承父类属性*/
        uint8_t code__; /*子类添加的属性*/
    }Student;  

    /*2.声明构造和析构方法*/
    void Student_Ctor(Student *me, uint8_t code);
    void Student_Xtor(Student *me);

    /*3.声明public方法*/
    void Student_setCode(Student *me, uint8_t code);
    uint8_t Student_getCode(Student *me);

    /*4.声明private方法(在.c文件中声明)*/ 

#endif

student.c文件：
在.c文件中声明private方法，实现所有的构造方法和析构方法，实现所有的public和private方法。

#include "student.h"

/*1.声明private方法*/
static void XXX(Student *me, ...);

/*2.构造和析构方法实现*/
void Student_Ctor(Student *me, String name, uint8_t code) {
    Person_Ctor((Person*)me, name);/*先调用父类构造函数*/
    me->code__ = code;
}
void Person_Xtor(Person *me) {
    ...
}

/*3.public方法实现*/
void Student_setCode(Student *me, uint8_t code) {
    me->code__ = code;
}

app.c中使用Student类：

#include "Student.h"  /*包含头*/
void main() {
    String tmp;
    Student l_st1; /*创建一个实例，实际就是一个属性*/
    Student l_st2; /*创建另一个实例，实际就是另一个属性*/

    Student_Ctor(l_st1, "张三, 25);  /*显式调用构造函数*/
    Student_setCode(l_st1, 30); //使用其public方法
    tmp = Student_getCode(l_st1); //使用其public方法
}

3.C语言的多态性

利用C语言的万能指针void *p可以实现多态。略。

4.总结

用C语言可以实现面向对象的三大特性，适合于嵌入式系统的编程，QP的C版本就是这样实现的。现在很多的开源软件，包括postgreSQL、GObject等都采用C语言实现面向对象的方法。采用这个方法，使程序具有更好的可读性、可扩展性，同时保持了C语言的高效性。