c语言实现面向对象编程（const _ ，_ const）

@TOC

参考了onlyshi的博客代码，orz传送门 参考了嵌入式实践一些代码，这里就不加了。

面向对象思想

面向对象编程（OOP）并不是一种特定的语言或者工具，它只是一种设计方法、设计思想。它表现出来的三个最基本的特性就是封装、继承与多态。 如果用C语言来模拟这样的编程方式，需要解决3个问题： 数据的封装 继承 多态

封装

对于c的实现就是写一个结构体，如果封装就是放进结构体里面，那么并没有实现封装要达到的效果，因为对于c++的封装，存在成员属性的区别。public和private。 所以对于封装，还是有每个公司自己的约定。比如以下划线开头的变量，默认为私有成员。

继承

继承就是基于现有的一个类去定义一个新类，这样有助于重用代码，更好的组织代码。 对于c语言的实现就是将结构体进行一个嵌套，将基类放到继承类的第一个数据成员的位置。

多态

c++实现多态是使用虚函数。在C++中，只有通过基类引用或者指针，去调用虚函数的时候才发生多态，也就是说多态是发生在运行期间的，C++内部通过一个虚表来实现多态。 虚表（Virtual Table）是这个类所有虚函数的函数指针的集合。

虚指针（Virtual Pointer）是一个指向虚表的指针。这个虚指针必须存在于每个对象实例中，会被所有子类继承。

代码实现

这个代码还有一些小难看（明白），可以看知乎的一个代码实现传送门，很简单易懂。

shape.h 里面是shape类的声明

#ifndef SHAPE_H
#define SHAPE_H

#include <stdint.h>

// Shape 的属性
typedef struct {
    int16_t x; 
    int16_t y; 
} Shape;
//int_t为一个结构的标注，通过typedef定义，利用预编译和typedef可以最有效的维护代码。
//int16_t    : typedef signed short ;
// Shape 的操作函数，接口函数
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);
//shape const * a，相当于const 修饰 *a，*a是shape类型，所以地址a指向的那块空间不可变
//shape *const a相当于const修饰a，a是shape *类型，所以a本身不可变
#endif /* SHAPE_H */

shape.c相关函数定义

#include "shape.h"  /* Shape class interface */
#include <stdio.h>  /* for printf() */
// 构造函数
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;
}

// 获取属性值函数
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 <stdio.h> 
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)\n", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1));
    printf("Shape s2(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2));

    Shape_moveBy(&s1, 2, -4);
    Shape_moveBy(&s2, 1, -2);

    printf("Shape s1(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s1), Shape_getY(&s1));
    printf("Shape s2(x=%d,y=%d)\n", Shape_getX(&s2), Shape_getY(&s2));

    return 0;
}

这就实现了一个基类，shape，非常标准。 下面开始一个继承类rectangle的编写。 rect.h

#ifndef RECT_H
#define RECT_H

#include "shape.h" // 基类接口

// 矩形的属性
typedef struct {
    Shape super; // 继承 Shape
    //开始写一个新的rectangle结构体，将shape类作为第一个成员。
    // 自己的属性
    uint16_t width;
    uint16_t height;
} Rectangle;

// 构造函数
void Rectangle_ctor(Rectangle * const me, int16_t x, int16_t y,
                    uint16_t width, uint16_t height);

#endif /* RECT_H */

rect.c

#include "rect.h"
#include <stdio.h> 
// 构造函数
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;
} 

main_rect.c

#include "rect.h"
#include <stdio.h> 
int main() 
{
    Rectangle r1, r2;

    // 实例化对象
    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)\n",
           Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super),
           r1.width, r1.height);
    printf("Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
           Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super),
           r2.width, r2.height);

    // 注意，这里有两种方式，一是强转类型，二是直接使用成员地址
    Shape_moveBy((Shape *)&r1, -2, 3);
    Shape_moveBy(&r2.super, 2, -1);

    printf("Rect r1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
           Shape_getX(&r1.super), Shape_getY(&r1.super),
           r1.width, r1.height);
    printf("Rect r2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
           Shape_getX(&r2.super), Shape_getY(&r2.super),
           r2.width, r2.height);

    return 0;
}

继承就在上面两个类实现了，下面实现多态，多态需要==重新声明==一下shape类，因为要加入虚表、虚指针等内容。 shape.h 函数指针在上一篇博客刚记录了，对于这个虚表能更好的理解。

#ifndef SHAPE_H
#define SHAPE_H

#include <stdint.h>

struct ShapeVtbl;
// Shape 的属性
typedef struct {
    struct ShapeVtbl const *vptr;
    int16_t x; 
    int16_t y; 
} Shape;

// Shape 的虚表
struct ShapeVtbl {
    uint32_t (*area)(Shape const * const me);
    void (*draw)(Shape const * const me);
};

// Shape 的操作函数，接口函数
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);
}

static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) 
{
    return (*me->vptr->area)(me);
}
Shape const *largestShape(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes);
void drawAllShapes(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes);

#endif /* SHAPE_H */

#include "shape.h"
#include <assert.h>

// Shape 的虚函数
static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me);
static void Shape_draw_(Shape const * const me);

// 构造函数
void Shape_ctor(Shape * const me, int16_t x, int16_t y) 
{
    // Shape 类的虚表
    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 类的虚函数实现
static uint32_t Shape_area_(Shape const * const me) 
{
    assert(0); // 类似纯虚函数
    return 0U; // 避免警告
}

static void Shape_draw_(Shape const * const me) 
{
    assert(0); // 纯虚函数不能被调用
}


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 < nShapes; ++i) 
    {
        uint32_t area = Shape_area(shapes[i]);// 虚函数调用
        if (area > max) 
        {
            max = area;
            s = shapes[i];
        }
    }
    return s;
}


void drawAllShapes(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes) 
{
    uint32_t i;
    for (i = 0U; i < nShapes; ++i) 
    {
        Shape_draw(shapes[i]); // 虚函数调用
    }
}

#include "rect.h"  
#include <stdio.h> 

// Rectangle 虚函数
static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me);
static void Rectangle_draw_(Shape const * const me);

// 构造函数
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); // 调用基类的构造函数
    me->super.vptr = &vtbl;           // 重载 vptr
    me->width = width;
    me->height = height;
}

// Rectangle's 虚函数实现
static uint32_t Rectangle_area_(Shape const * const me) 
{
    Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //显示的转换
    return (uint32_t)me_->width * (uint32_t)me_->height;
}

static void Rectangle_draw_(Shape const * const me) 
{
    Rectangle const * const me_ = (Rectangle const *)me; //显示的转换
    printf("Rectangle_draw_(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)\n",
           Shape_getX(me), Shape_getY(me), me_->width, me_->height);
}

main.c

#include "rect.h"  
#include "circle.h" 
#include <stdio.h> 

int main() 
{
    Rectangle r1, r2; 
    Circle    c1, c2; 
    Shape const *shapes[] = 
    { 
        &c1.super,
        &r2.super,
        &c2.super,
        &r1.super
    };
    Shape const *s;

    // 实例化矩形对象
    Rectangle_ctor(&r1, 0, 2, 10, 15);
    Rectangle_ctor(&r2, -1, 3, 5, 8);

    // 实例化圆形对象
    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)\n", Shape_getX(s), Shape_getY(s));

    drawAllShapes(shapes, sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));

    return 0;
}

circle类 circle.h

#ifndef CIRCLE_H
#define CIRCLE_H

#include "shape.h" // 基类接口

// 矩形的属性
typedef struct {
    Shape super; // 继承 Shape

    // 自己的属性
    uint16_t radius;
} Circle;

// 构造函数
void Circle_ctor(Circle * const me, int16_t x, int16_t y,
                    uint16_t radius);

#endif /* CIRCLE_H */

circle.c

#include <stdio.h> 
#include "../include/circle.h"  

// Circle 虚函数
static uint32_t Circle_area_(Shape const * const me);
static void Circle_draw_(Shape const * const me);

// 构造函数
void Circle_ctor(Circle * const me, int16_t x, int16_t y,
                    uint16_t radius)
{
    static struct ShapeVtbl const vtbl = 
    {
        &Circle_area_,
        &Circle_draw_
    };
    Shape_ctor(&me->super, x, y); // 调用基类的构造函数
    me->super.vptr = &vtbl;           // 重载 vptr
    me->radius = radius;
}

// Circle's 虚函数实现
static uint32_t Circle_area_(Shape const * const me) 
{
    Circle const * const me_ = (Circle const *)me; //显示的转换
    return (uint32_t)me_->radius * (uint32_t)me_->radius * 3;
}

static void Circle_draw_(Shape const * const me) 
{
    Circle const * const me_ = (Circle const *)me; //显示的转换
    printf("Circle_draw_(x=%d,y=%d,radius=%d)\n",
           Shape_getX(me), Shape_getY(me), me_->radius);
}

函数签名及返回值的约定

c语言函数签名：函数名、参数（入参、出参）、返回值。 对于研发的一种约定俗成，对于一个函数，要返回值来表示errcode，并且0表示no error，成功，对于-1表示失败，对于1，表示没有成功，但是返回了一些有意义的东西。

const

const * :表示指针指向的值不可变，但是指针可以重新赋新地址。

• const：表示指针表示的地址不可变，但是指针指向的值可变。 const*、*const代码说明

重载

重载(overloading) 是在一个类里面，方法名字相同，而参数不同。返回类型可以相同也可以不同。 每个重载的方法（或者构造函数）都必须有一个独一无二的参数类型列表。 最常用的地方就是构造器的重载。 重载规则:

• 被重载的方法必须改变参数列表(参数个数或类型不一样)；
• 被重载的方法可以改变返回类型；
• 被重载的方法可以改变访问修饰符；
• 被重载的方法可以声明新的或更广的检查异常；
• 方法能够在同一个类中或者在一个子类中被重载。
• 无法以返回值类型作为重载函数的区分标准。