不知道有多少人去了解過語言的發展史，早期C語言的語法功能其實比較簡單。隨著應用需求和場景的變化，C語言的語法功能在不斷升級變化。

雖然我們的教材有這么一個結論：C語言是面向過程的語言，C++是面向對象的編程語言，但面向對象的概念是在C語言階段就有了，而且應用到了很多地方，比如某些操作系統內核、通信協議等。

面向對象編程，也就是大家說的OOP（Object Oriented Programming）并不是一種特定的語言或者工具，它只是一種設計方法、設計思想，它表現出來的三個最基本的特性就是封裝、繼承與多態。

1、為什么用C實現OOP? ?

閱讀文本之前肯定有讀者會問這樣的問題：我們有C++面向對象的語言，為什么還要用C語言實現面向對象呢？

C語言這種非面向對象的語言，同樣也可以使用面向對象的思路來編寫程序的。只是用面向對象的C++語言來實現面向對象編程會更簡單一些，但是C語言的高效性是其他面向對象編程語言無法比擬的。

當然使用C語言來實現面向對象的開發相對不容易理解，這就是為什么大多數人學過C語言卻看不懂Linux內核源碼。

所以這個問題其實很好理解，只要有一定C語言編程經驗的讀者都應該能明白：面向過程的C語言和面向對象的C++語言相比，代碼運行效率、代碼量都有很大差異。在性能不是很好、資源不是很多的MCU中使用C語言面向對象編程就顯得尤為重要。

2、所具備的條件? ?

要想使用C語言實現面向對象，首先需要具備一些基礎知識。比如：（C語言中的）結構體、函數、指針，以及函數指針等，（C++中的）基類、派生、多態、繼承等。

首先，不僅僅是了解這些基礎知識，而是有一定的編程經驗，因為上面說了“面向對象是一種設計方法、設計思想”，如果只是停留在字面意思的理解，沒有這種設計思想肯定不行。

因此，不建議初學者使用C語言實現面向對象，特別是在真正項目中。建議把基本功練好，再使用。

利用C語言實現面向對象的方法很多，下面就來描述最基本的封裝、繼承和多態。

3、封裝??

封裝就是把數據和函數打包到一個類里面，其實大部分C語言編程者都已近接觸過了。

C 標準庫中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函數的操作對象就是 FILE。數據內容就是 FILE，數據的讀寫操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 類比于構造函數，fclose() 就是析構函數。

這個看起來似乎很好理解，那下面我們實現一下基本的封裝特性。

#ifndef?SHAPE_H
#define?SHAPE_H
#include?
//?Shape?的屬性
typedef?struct?{
????int16_t?x;?
????int16_t?y;?
}?Shape;
//?Shape?的操作函數，接口函數
void?Shape_ctor(Shape?*?const?me,?int16_t?x,?int16_t?y);
void?Shape_moveBy(Shape?*?const?me,?int16_t?dx,?int16_t?dy);
int16_t?Shape_getX(Shape?const?*?const?me);
int16_t?Shape_getY(Shape?const?*?const?me);
#endif?/*?SHAPE_H?*/

這是 Shape 類的聲明，非常簡單，很好理解。一般會把聲明放到頭文件里面 “Shape.h”。來看下 Shape 類相關的定義，當然是在 “Shape.c” 里面。

#include?"shape.h"
//?構造函數
void?Shape_ctor(Shape?*?const?me,?int16_t?x,?int16_t?y)
{
????me->x?=?x;
????me->y?=?y;
}
void?Shape_moveBy(Shape?*?const?me,?int16_t?dx,?int16_t?dy)?
{
????me->x?+=?dx;
????me->y?+=?dy;
}
//?獲取屬性值函數
int16_t?Shape_getX(Shape?const?*?const?me)?
{
????return?me->x;
}
int16_t?Shape_getY(Shape?const?*?const?me)?
{
????return?me->y;
}

#include?"shape.h"??/*?Shape?class?interface?*/
#include???/*?for?printf()?*/
int?main()?
{
????Shape?s1,?s2;?/*?multiple?instances?of?Shape?*/
????Shape_ctor(&s1,?0,?1);
????Shape_ctor(&s2,?-1,?2);
????printf("Shape?s1(x=%d,y=%d)
",?Shape_getX(&s1),?Shape_getY(&s1));
????printf("Shape?s2(x=%d,y=%d)
",?Shape_getX(&s2),?Shape_getY(&s2));
????Shape_moveBy(&s1,?2,?-4);
????Shape_moveBy(&s2,?1,?-2);
????printf("Shape?s1(x=%d,y=%d)
",?Shape_getX(&s1),?Shape_getY(&s1));
????printf("Shape?s2(x=%d,y=%d)
",?Shape_getX(&s2),?Shape_getY(&s2));
????return?0;
}

Shape?s1(x=0,y=1)
Shape?s2(x=-1,y=2)
Shape?s1(x=2,y=-3)
Shape?s2(x=0,y=0)

整個例子，非常簡單，非常好理解。以后寫代碼時候，要多去想想標準庫的文件IO操作，這樣也有意識的去培養面向對象編程的思維。

4、繼承??

繼承就是基于現有的一個類去定義一個新類，這樣有助于重用代碼，更好的組織代碼。在 C 語言里面，去實現單繼承也非常簡單，只要把基類放到繼承類的第一個數據成員的位置就行了。 ? 例如，我們現在要創建一個 Rectangle 類，我們只要繼承 Shape 類已經存在的屬性和操作，再添加不同于 Shape 的屬性和操作到 Rectangle 中。 ? 下面是 Rectangle 的聲明與定義：

#ifndef?RECT_H
#define?RECT_H
#include?"shape.h"?//?基類接口
//?矩形的屬性
typedef?struct?{
????Shape?super;?//?繼承?Shape
????//?自己的屬性
????uint16_t?width;
????uint16_t?height;
}?Rectangle;
//?構造函數
void?Rectangle_ctor(Rectangle?*?const?me,?int16_t?x,?int16_t?y,
????????????????????uint16_t?width,?uint16_t?height);
#endif?/*?RECT_H?*/

#include?"rect.h"

//?構造函數
void?Rectangle_ctor(Rectangle?*?const?me,?int16_t?x,?int16_t?y,
????????????????????uint16_t?width,?uint16_t?height)
{
????/*?first?call?superclass’?ctor?*/
????Shape_ctor(&me->super,?x,?y);
????/*?next,?you?initialize?the?attributes?added?by?this?subclass...?*/
????me->width?=?width;
????me->height?=?height;
}

我們來看一下 Rectangle 的繼承關系和內存布局：

因為有這樣的內存布局，所以你可以很安全的傳一個指向 Rectangle 對象的指針到一個期望傳入 Shape 對象的指針的函數中，就是一個函數的參數是 “Shape *”，你可以傳入 “Rectangle *”，并且這是非常安全的。這樣的話，基類的所有屬性和方法都可以被繼承類繼承！

#include?"rect.h"??
#include??
int?main()?
{
????Rectangle?r1,?r2;
????//?實例化對象
????Rectangle_ctor(&r1,?0,?2,?10,?15);
????Rectangle_ctor(&r2,?-1,?3,?5,?8);
????printf("Rect?r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)
",
???????????Shape_getX(&r1.super),?Shape_getY(&r1.super),
???????????r1.width,?r1.height);
????printf("Rect?r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)
",
???????????Shape_getX(&r2.super),?Shape_getY(&r2.super),
???????????r2.width,?r2.height);
????//?注意，這里有兩種方式，一是強轉類型，二是直接使用成員地址
????Shape_moveBy((Shape?*)&r1,?-2,?3);
????Shape_moveBy(&r2.super,?2,?-1);
????printf("Rect?r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)
",
???????????Shape_getX(&r1.super),?Shape_getY(&r1.super),
???????????r1.width,?r1.height);
????printf("Rect?r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)
",
???????????Shape_getX(&r2.super),?Shape_getY(&r2.super),
???????????r2.width,?r2.height);
????return?0;
}

Rect?r1(x=0,y=2,width=10,height=15)
Rect?r2(x=-1,y=3,width=5,height=8)
Rect?r1(x=-2,y=5,width=10,height=15)
Rect?r2(x=1,y=2,width=5,height=8)

5、多態? ?

C++ 語言實現多態就是使用虛函數。在 C 語言里面，也可以實現多態。 ? 現在，我們又要增加一個圓形，并且在 Shape 要擴展功能，我們要增加 area() 和 draw() 函數。但是 Shape 相當于抽象類，不知道怎么去計算自己的面積，更不知道怎么去畫出來自己。而且，矩形和圓形的面積計算方式和幾何圖像也是不一樣的。 ? 下面讓我們重新聲明一下 Shape 類：

#ifndef?SHAPE_H
#define?SHAPE_H
#include?
struct?ShapeVtbl;
//?Shape?的屬性
typedef?struct?{
????struct?ShapeVtbl?const?*vptr;
????int16_t?x;?
????int16_t?y;?
}?Shape;
//?Shape?的虛表
struct?ShapeVtbl?{
????uint32_t?(*area)(Shape?const?*?const?me);
????void?(*draw)(Shape?const?*?const?me);
};
//?Shape?的操作函數，接口函數
void?Shape_ctor(Shape?*?const?me,?int16_t?x,?int16_t?y);
void?Shape_moveBy(Shape?*?const?me,?int16_t?dx,?int16_t?dy);
int16_t?Shape_getX(Shape?const?*?const?me);
int16_t?Shape_getY(Shape?const?*?const?me);
static?inline?uint32_t?Shape_area(Shape?const?*?const?me)?
{
????return?(*me->vptr->area)(me);
}
static?inline?void?Shape_draw(Shape?const?*?const?me)
{
????(*me->vptr->draw)(me);
}
Shape?const?*largestShape(Shape?const?*shapes[],?uint32_t?nShapes);
void?drawAllShapes(Shape?const?*shapes[],?uint32_t?nShapes);
#endif?/*?SHAPE_H?*/

看下加上虛函數之后的類關系圖：

5.1 虛表和虛指針

虛表（Virtual Table）是這個類所有虛函數的函數指針的集合。

虛指針（Virtual Pointer）是一個指向虛表的指針。這個虛指針必須存在于每個對象實例中，會被所有子類繼承。

在《Inside The C++ Object Model》的第一章內容中，有這些介紹。

5.2 在構造函數中設置vptr

在每一個對象實例中，vptr 必須被初始化指向其 vtbl。最好的初始化位置就是在類的構造函數中。事實上，在構造函數中，C++ 編譯器隱式的創建了一個初始化的vptr。在 C 語言里面， 我們必須顯示的初始化vptr。

下面就展示一下，在 Shape 的構造函數里面，如何去初始化這個 vptr。

#include?"shape.h"
#include?
//?Shape?的虛函數
static?uint32_t?Shape_area_(Shape?const?*?const?me);
static?void?Shape_draw_(Shape?const?*?const?me);
//?構造函數
void?Shape_ctor(Shape?*?const?me,?int16_t?x,?int16_t?y)?
{
????//?Shape?類的虛表
????static?struct?ShapeVtbl?const?vtbl?=?
????{?
???????&Shape_area_,
???????&Shape_draw_
????};
????me->vptr?=?&vtbl;?
????me->x?=?x;
????me->y?=?y;
}
void?Shape_moveBy(Shape?*?const?me,?int16_t?dx,?int16_t?dy)
{
????me->x?+=?dx;
????me->y?+=?dy;
}
int16_t?Shape_getX(Shape?const?*?const?me)?
{
????return?me->x;
}
int16_t?Shape_getY(Shape?const?*?const?me)?
{
????return?me->y;
}
//?Shape?類的虛函數實現
static?uint32_t?Shape_area_(Shape?const?*?const?me)?
{
????assert(0);?//?類似純虛函數
????return?0U;?//?避免警告
}
static?void?Shape_draw_(Shape?const?*?const?me)?
{
????assert(0);?//?純虛函數不能被調用
}
Shape?const?*largestShape(Shape?const?*shapes[],?uint32_t?nShapes)?
{
????Shape?const?*s?=?(Shape?*)0;
????uint32_t?max?=?0U;
????uint32_t?i;
????for?(i?=?0U;?i??max)?
????????{
????????????max?=?area;
????????????s?=?shapes[i];
????????}
????}
????return?s;
}
void?drawAllShapes(Shape?const?*shapes[],?uint32_t?nShapes)?
{
????uint32_t?i;
????for?(i?=?0U;?i?
?5.3 繼承 vtbl 和 重載 vptr

	上面已經提到過，基類包含 vptr，子類會自動繼承。但是，vptr 需要被子類的虛表重新賦值。并且，這也必須發生在子類的構造函數中。下面是 Rectangle 的構造函數。
#include?"rect.h"??
#include??
//?Rectangle?虛函數
static?uint32_t?Rectangle_area_(Shape?const?*?const?me);
static?void?Rectangle_draw_(Shape?const?*?const?me);
//?構造函數
void?Rectangle_ctor(Rectangle?*?const?me,?int16_t?x,?int16_t?y,
????????????????????uint16_t?width,?uint16_t?height)
{
????static?struct?ShapeVtbl?const?vtbl?=?
????{
????????&Rectangle_area_,
????????&Rectangle_draw_
????};
????Shape_ctor(&me->super,?x,?y);?//?調用基類的構造函數
????me->super.vptr?=?&vtbl;???????????//?重載?vptr
????me->width?=?width;
????me->height?=?height;
}
//?Rectangle's?虛函數實現
static?uint32_t?Rectangle_area_(Shape?const?*?const?me)?
{
????Rectangle?const?*?const?me_?=?(Rectangle?const?*)me;?//顯示的轉換
????return?(uint32_t)me_->width?*?(uint32_t)me_->height;
}
static?void?Rectangle_draw_(Shape?const?*?const?me)?
{
????Rectangle?const?*?const?me_?=?(Rectangle?const?*)me;?//顯示的轉換
????printf("Rectangle_draw_(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)
",
???????????Shape_getX(me),?Shape_getY(me),?me_->width,?me_->height);
}

	5.4 虛函數調用

	有了前面虛表（Virtual Tables）和虛指針（Virtual Pointers）的基礎實現，虛擬調用（后期綁定）就可以用下面代碼實現了。
uint32_t?Shape_area(Shape?const?*?const?me)
{
????return?(*me->vptr->area)(me);
}

	這個函數可以放到.c文件里面，但是會帶來一個缺點就是每個虛擬調用都有額外的調用開銷。為了避免這個缺點，如果編譯器支持內聯函數（C99）。我們可以把定義放到頭文件里面，類似下面：
static?inline?uint32_t?Shape_area(Shape?const?*?const?me)?
{
????return?(*me->vptr->area)(me);
}

	如果是老一點的編譯器（C89），我們可以用宏函數來實現，類似下面這樣：
#define?Shape_area(me_)?((*(me_)->vptr->area)((me_)))
?看一下例子中的調用機制：

	

	? 5.5 main.c
#include?"rect.h"??
#include?"circle.h"?
#include??
int?main()?
{
????Rectangle?r1,?r2;?
????Circle????c1,?c2;?
????Shape?const?*shapes[]?=?
????{?
????????&c1.super,
????????&r2.super,
????????&c2.super,
????????&r1.super
????};
????Shape?const?*s;
????//?實例化矩形對象
????Rectangle_ctor(&r1,?0,?2,?10,?15);
????Rectangle_ctor(&r2,?-1,?3,?5,?8);
????//?實例化圓形對象
????Circle_ctor(&c1,?1,?-2,?12);
????Circle_ctor(&c2,?1,?-3,?6);
????s?=?largestShape(shapes,?sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));
????printf("largetsShape?s(x=%d,y=%d)
",?Shape_getX(s),?Shape_getY(s));
????drawAllShapes(shapes,?sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));
????return?0;
}

	輸出結果：
largetsShape?s(x=1,y=-2)
Circle_draw_(x=1,y=-2,rad=12)
Rectangle_draw_(x=-1,y=3,width=5,height=8)
Circle_draw_(x=1,y=-3,rad=6)
Rectangle_draw_(x=0,y=2,width=10,height=15)

	6、總結? ?

	還是那句話，面向對象編程是一種方法，并不局限于某一種編程語言。用 C 語言實現封裝、單繼承，理解和實現起來比較簡單，多態反而會稍微復雜一點，如果打算廣泛的使用多態，還是推薦轉到 C++ 語言上，畢竟這層復雜性被這個語言給封裝了，你只需要簡單的使用就行了。但并不代表，C 語言實現不了多態這個特性。 ?

	編輯：黃飛

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