C的面向对象编程

C语言并不支持类这样的概念，但是C仍旧可以使用面向对象的概念。

 

C++中的类，关键在于它的虚函数表。因此，我们要模拟一个能够支持虚函数表的类。

使用C的struct结构，可以模拟类和虚函数。

比如，我们来模拟一个shape类

 

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1. //模拟虚函数表  
2. typedef struct _Shape Shape;  
3.   
4. struct ShapeClass {  
5.    void (*construct)(Shape* self);  
6.    void (*destroy)(Shape *self);  
7.    void (*draw)(Shape *self);  
8. };  
9.   
10. struct _Shape {  
11.     ShapeClass *klass;  //定义class的指针  
12.     int x, y, width, height;  
13. };  

ShapeClass 定义了Shape类的虚函数表，其中construct和destroy分别模拟构造和析构函数，draw则是一个虚函数。Shape模拟数据成员。Shape中的ShapeClass将关联到具体的实现上。

 

Shape对象要能够使用，还必须做到以下几点

 

1. 实现一个ShapeClass类
2. 初始化Shape为正确的类

 

首先，我们要实现ShapeClass定义的各个成员函数指针

 

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1. void Shape_construct(Shape* self) {  
2.     self->x = 0;  
3.     self->y  = 0;  
4.     self->width = 100;  
5.     self->height = 100;   
6. }  
7.   
8. void Shape_destroy(Shape* self)  
9. {  
10.    //TODO delete datas  
11. }  
12.   
13. void Shape_draw(Shape* self)  
14. {  
15.    //TODO draw ....  
16. }  
17.   
18. ShapeClass _shape_class = {  
19.     Shape_construct,  
20.     Shape_destroy,  
21.     Shape_draw,  
22. };  
23.   
24. Shape *newShape()  
25. {  
26.     Shape *shape = (Shape*)malloc(sizeof(Shape);  
27.     shape->klass = &_shape_class;  
28.     shape->klass->construct(shape);  
29.     return shape;  
30. }  
31.   
32. void deleteShape(Shape* shape)  
33. {  
34.    shape->klass->destroy(shape);  
35.    free(shape);  
36. }  

 

当我们调用shape的draw函数时，应该

 

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1. Shape *shape = newShape();  
2. ....  
3. shape->klass->draw(shape);  
4. ....  
5. deleteShape(shape);  

 

 

上面的原理容易理解，但是，编写起代码来，着实繁琐且易错, 而且，construct, destory这类方法都是对象最基本的方法，因此，我们抽象出一个Object类来

 

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1. #define ClassType(className)    className##Class  
2. #define Class(className)        g_st##className##Cls  
3.   
4. typedef struct _mObjectClass mObjectClass;  
5. typedef struct _mObject mObject;  
6.   
7. typedef mObjectClass* (*PClassConstructor)(mObjectClass *);  
8.   
9. #define mObjectClassHeader(clss, superCls) \  
10.     PClassConstructor classConstructor; \  
11.     ClassType(superCls) * super; \  
12.     const char* typeName; /* */ \  
13.     unsigned int objSize; \  
14.     /* class virtual function */ \  
15.     void (*construct)(clss *self, DWORD addData); \  
16.     void (*destroy)(clss *self); \  
17.     DWORD (*hash)(clss *self); \  
18.     const char* (*toString)(clss *self, char* str, int max);  
19.   
20. struct _mObjectClass {  
21.     mObjectClassHeader(mObject, mObject)  
22. };  
23.   
24. extern mObjectClass g_stmObjectCls; //Class(mObject);  
25.   
26.   
27. #define mObjectHeader(clss) \  
28.     ClassType(clss) * _class;  
29.   
30. struct _mObject {  
31.     mObjectHeader(mObject)  
32. };  

mObject和mObjectClass是所有类的基础类。

 

这里，我们使用了一个技巧，及通过定义mObjectClassHeader和mObjectHeader两个宏，让Object的继承类能够“继承”Object的定义。这一点在后文讲述。

mObject的定义很简单的，就定义了一个mObjectClass *_class类(mObjectHeader宏的展开)。

mObjectClass的定义，稍微复杂一些，每个成员描述如下：

• classConstructor : 这是类本身的初始化。他的作用是，将类的虚函数表填充完整。之所以用一个函数来填充虚函数表，是为了能够让派生类和基类的类类型都能够得到正确的初始化。
• super : 这是超类，是为继承做准备的
• typeName: 存储类的名称
• objSize: 定义了类本身的大小，这样在malloc的时候，不需要知道具体的类类型，就可以分配足够的空间
• construct, destory: 构造和析构
• hash: hash函数，用在hash表中
• toString:调试时生成描述信息

 

我们通过extern声明了g_stmObjectCls变量。这个变量是mObjectClass的变量，包含的都是类的虚函数表和最基本的信息。当我们创建类的时候，就需要这个函数了。

 

下面看看new和delete函数的实现

 

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1. mObject * newObject(mObjectClass *_class)  
2. {  
3.     mObject * obj;  
4.   
5.     if(_class == NULL)  
6.         return NULL;  
7.       
8.     obj = (mObject*)calloc(1, _class->objSize);  
9.       
10.     if(!obj)  
11.         return NULL;  
12.   
13.     obj->_class = _class;  
14.   
15.     return obj;  
16. }  
17.   
18. void deleteObject(mObject *obj)  
19. {  
20.     if(obj == NULL || obj->_class)  
21.         return;  
22.   
23.     _c(obj)->destroy(obj);  
24.       
25.     free(obj);  
26. }  
27. ......  
28. static inline mObject * ncsNewObject(mObjectClass *_class,DWORD add_data){  
29.     mObject * obj = newObject(_class);  
30.     if(!obj)  
31. <span style="white-space:pre">      </span>return NULL;  
32.   
33.   
34.     _class->construct(obj, add_data);  
35.     return obj;  
36. }  

newObject负责对对象做最基本的初始化: 调用calloc分配空间，然后将_class赋给对象。而ncsNewObject函数，则调用了construct函数，完成对象的初始化。

 

 

那么，g_stmObjectCls是如何声明和初始化的？请看代码

 

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1. static void mObject_construct(mObject* self, DWORD addData)  
2. {  
3.     //do nothing  
4.     //to avoid NULL pointer  
5. }  
6.   
7. static void mObject_destroy(mObject* self)  
8. {  
9.   
10. }  
11.   
12. static DWORD mObject_hash(mObject *self)  
13. {  
14.     return (DWORD)self;  
15. }  
16.   
17. static const char* mObject_toString(mObject *self, char* str, int max)  
18. {  
19.     if(!str)  
20.         return NULL;  
21.   
22.     snprintf(str, max, "NCS %s[@%p]", TYPENAME(self),self);  
23.     return str;  
24. }  
25.   
26. static mObjectClass* mObjectClassConstructor(mObjectClass* _class)  
27. {  
28.     _class->super = NULL;   
29.     _class->typeName = "mObject";  
30.     _class->objSize = sizeof(mObject);  
31.   
32.     CLASS_METHOD_MAP(mObject, construct)  
33.     CLASS_METHOD_MAP(mObject, destroy)  
34.     CLASS_METHOD_MAP(mObject, hash)  
35.     CLASS_METHOD_MAP(mObject, toString)  
36.     return _class;  
37. }  
38.   
39. mObjectClass Class(mObject) = {  
40.     (PClassConstructor)mObjectClassConstructor  
41. };  

CLASS_METHOD_MAP宏的定义是

 

 

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1. #define CLASS_METHOD_MAP(clss, name) \  
2.         _class->name = (typeof(_class->name))(clss##_##name);  

这里为了方便，要求统一的命名规范。

 

注意到mObjectClassConstructor，他就是mObjectClass中的classConstructor的实现。看所做的工作：

 

• 给出类的名字
• 给出对象的大小
• 将虚函数表填充完整

 

mObject类本身没有任何用处，他只是作为根类存在。我们必须定义其他类，才能起到作用。 那么，如果要实现继承，应该怎么办呢？

 

还以Shape为例，基本上应该是这样

 

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1. typedef struct _mShape mShape;  
2. typedef struct _mShapeClass mShapeClass;  
3. struct _mShape {   
4.        mObject base;   
5.        int x, y, width, height;  
6. };  
7. struct _mShapeClass {   
8.        mObjectClass base;   
9.        void (*draw)(mShape* self);  
10. };  

 

mShape和mShapeClass都将mObject和mObjectClass放在最上面，这样，C编译器就会保证mShape和mObject的内存结构，在前半部分都是一致的。因此，当我使用 mObject *obj = (mObject*)shape这样的代码时，不会发生任何意外。通过这个方法，就能实现C++的多态。

 

 

但，这里有两个问题：

 

• 如果我们想访问父类的方法，就必须通过 shape->base.XXX来访问，如果访问方法，就必须shape->base._class->construct
• 必须进行强制转换：
  • 如果我们访问父类的虚函数，则必须把子类转换为父类，如 shape->base._class->toString((mObject*)shape);
  • 如果我们要访问自己的虚函数，则必须把父类的虚函数表，转换为自己的，如  ((mShapeClass*)(shape->base._class))->draw(shape);

 

这不仅仅是写法上繁琐这么简单。当继承层次很多时，既要写一长串的base调用，还必须记住继承的顺序和层次，这基本上是不可能的。

这是，我们需要通过宏，来实现声明的"继承"

 

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1. #define mShapeHeader(Cls) \  
2.      mObjectHeader(Cls) \  
3.      int x, y, width, height;  
4.   
5. struct  _mShape {  
6.     mShapeHeader(mShape)  
7. };  
8.   
9. #define mShapeClassHeader(Cls, Super) \  
10.     mObjectClassHeader(Cls, Super) \  
11.     void (*draw)(Cls* self)  
12.   
13. struct mShapeClass {  
14.     mShapeClassHeader(mShape, mObject)  
15. };  

<ClassName>Header和<ClassName>ClassHeader宏很好的解决了这个问题。mObject的所有声明都将在mShape和mShapeClass中在声明一遍，而且，Class的名字，也从mObject替换为了mShape了。这样一来，当我们使用mShape类型的变量时，所有的虚函数都可以被直接调用，不需要任何的转换。

 

 

mShape和mObject之间，仍旧保持了那种内存上的一致性。

 

当mShape作为基类时，他的派生类可以使用mShapeHeader和mShapeClassHeader来生成新的类。

 

下面，我们讨论下，mShapeClass的初始化问题。

虚函数表虽然定义了结构，却没有定义变量，需要定义：

 

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1. extern mShapeClass g_stmShapeCls;  

然后，在再shape.c中，声明和填充g_stmShapeCls。

 

g_stmShapeCls的实现和g_stmShapeCls是一样的，也需要定义一个classConstructor函数，然后在这个函数中初始化类的名字、mShape的大小以及draw函数指针的初始化。但是，这样写非常繁琐，因此，我们通过一个宏来定义

 

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1.   #define BEGIN_MINI_CLASS(clss, superCls) \  
2. 1 static ClassType(clss) * clss##ClassConstructor(ClassType(clss)* _class); \  
3. 2 ClassType(clss) Class(clss) = { (PClassConstructor)clss##ClassConstructor }; \  
4. 3 static const char* clss##_type_name = #clss; \  
5. 4 static ClassType(clss) * clss##ClassConstructor(ClassType(clss)* _class) { \  
6. 5   _class = (ClassType(clss)*)((PClassConstructor)(Class(superCls).classConstructor))((mObjectClass*)_class); \  
7. 6   _class->super = &Class(superCls); \  
8. 7   _class->typeName = clss##_type_name; \  
9. 8   _class->objSize = sizeof(clss);  
10.   
11.   #define END_MINI_CLASS return _class; }  
12.   
13.   #define CLASS_METHOD_MAP(clss, name) \  
14.         _class->name = (typeof(_class->name))(clss##_##name);  

我们把ClassConstructor函数的声明拆成了3部分：初始化定义、结束定义和方法填充。重点解释的是初始化定义：

 

BEGIN_MINI_CLASS :

 

• 行1： 前置声明ClassConstructor函数，使用类名以区分不同类的classConstructor函数
• 行2： 声明了g_stmShapeCls变量，并将ClassConstructor赋值给它。这是非常重要的，如果没有这一步骤，那么，虚函数表就无法被初始化；
• 行3：声明一个类的名字的字符串数组
• 行4：定义了ClassConstructor函数的实现部分
• 行5：首先调用超类的ClassConstructor，让超类先初始化一遍，这样如果子类不覆盖超类的函数，那么，我们将继续使用超类的函数，这是多态的“继承”特性
• 行6：设置超类指针
• 行7：设置类名
• 行8：得到成员变量的大小

使用的时候，非常简单

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1. BEGIN_MINI_CLASS(mShape, mObject)  
2.    CLASS_METHOD_MAP(mShape, draw)  
3. END_MINI_CLASS  

这样做不仅避免了大量字符输入，更重要的是：1）避免错误；2）避免开发者学习和记住这些通用性很强的内容。

 

 

当然，这种情况下，类还是不能直接使用的，要使用，必须调用一次g_stmShapeCls.classConstructor类，真正完成类的初始化。为了简便，提供一个宏来简化这个过程：

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1. #define MGNCS_WIDGET_REGISTER(className) \  
2.     Class(className).classConstructor((mObjectClass*)(void*)(&(Class(className))))  

在初始化时

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1. void init()  
2. {  
3.    ...  
4.    MGNCS_WIDGET_REGISTER(mShape);  
5.    ...  
6. }  

用C模拟类，还能够得到C++的RTTI的一些效果，例如，模拟java的instanceof关键字

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1. BOOL ncsInstanceOf(mObject *object, mObjectClass* clss)  
2. {  
3.     mObjectClass* objClss;  
4.     if(object == NULL || clss == NULL)  
5.         return FALSE;  
6.   
7.     objClss = _c(object);  
8.       
9.     while(objClss && clss != objClss){  
10.         objClss = objClss->super;  
11.     }  
12.   
13.     return objClss != NULL;  
14. }  
15. #define INSTANCEOF(obj, clss)  ncsInstanceOf((mObject*)(obj), (mObjectClass*)(void*)(&Class(clss)))  

我们可以直接去判断，如  INSTANCEOF(rectange, mShape)。这个消耗是很少的，因为，继承层次超过5层的已经非常少了，基本上，继承层次在5层以内就能做出足够的抽象。