用C实现OOP面向对象编程（1）

2021-10-09 03:48:17

如摘要所说，C语言不支持OOP(面向对象的编程)。并这不意味着我们就不能对C进行面向对象的开发，只是过程要复杂许多。原来以C++的许多工作，在C语言中需我们手动去完成。

博主将与大家一起研究一下如下用C语言实现面象对象的编程。

面向对象的三大特性：封装、继承、多态

我们要达到的目的如下：

Animal是动物，有两个方法：Eat()吃，Breed()繁衍。

Bird与Mammal都是Animal，Mammal是哺乳动物。

Penguin是企鹅，企鹅是Bird，企鹅不会飞。

Swallow是燕子，是Bird，会飞。

Bat是蝙蝠，是Mammal，会飞。

Tiger是老虎，是Mammal，不会飞。

Plane是飞机，会飞。它不是动物。

从上面的类继承关系来看，由于Swallow, Bat, Plane会飞，所以它们都继承了IFly接口。

首先我们用C++的类来实现上面的关系：

class Animal {
public:
    virtual void Eat() = 0;
    virtual void Breed() = 0;
};
 
class Bird : public Animal {
public:
    virtual void Breed() {
        cout << "蛋生" << endl;
    }
};
 
class Mammal : public Animal {
public:
    virtual void Breed() {
        cout << "胎生" << endl;
    }
};
 
class IFly {
public:
    virtual void Fly() = 0;
};
 
class Penguin : public Bird {
public:
    virtual void Eat() {
        cout << "企鹅吃鱼" << endl;
    }
};
 
class Swallow : public Bird , public IFly {
public:
    virtual void Eat() {
        cout << "燕子吃虫子" << endl;
    }
    virtual void Fly() {
        cout << "燕子飞呀飞" << endl;
    }
};
 
class Bat : public Mammal, public IFly {
public:
    virtual void Eat() {
        cout << "蝙蝠吃飞虫" << endl;
    }
    virtual void Fly() {
        cout << "蝙蝠飞呀飞" << endl;
    }
};
 
class Tiger : public Mammal {
    virtual void Eat() {
        cout << "老虎吃肉" << endl;
    }
};
 
class Plane : public IFly {
public:
    virtual void Fly() {
        cout << "飞机飞过天空" << endl;
    }
};

用下面的main.cpp来测试它们的继承效果：

int main()
{
    Penguin *penguin = new Penguin;
    Swallow *swallow = new Swallow;
    Bat *bat = new Bat;
    Tiger *tiger = new Tiger;
    Plane *plane = new Plane;
 
    Animal* animals[4] = {penguin, swallow, bat, tiger};
    IFly* flies[3] = {swallow, bat, plane};
 
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        animals[i]->Eat();
        animals[i]->Breed();
    }
 
    cout << "-------------" << endl;
    for (int i = 0; i < 3; ++i)
        flies[i]->Fly();
 
    delete penguin;
    delete swallow;
    delete bat;
    delete tiger;
    delete plane;
 
    return 0;
}

执行的效果是：

企鹅吃鱼
蛋生
燕子吃虫子
蛋生
蝙蝠吃飞虫
胎生
老虎吃肉
胎生
-------------
燕子飞呀飞
蝙蝠飞呀飞
飞机飞过天空

上面演示的就是C++的多态功能。

多态这个特性给我们软件灵活性带来了很大的便利。由于某此限制，如硬件资源不够充裕、开发环境不支持C++等原理，我们不能使用C++。

那么我们下面要讨论的是用C来重新实现上面的多态功能。

main.c大致是这样子的：

int main()
{
    Object* penguin = Penguin_New();
    Object* swallow = Swallow_New();
    Object* bat = Bat_New();
    Object* tiger = Tiger_New();
    Object* plane = Plane_New();
 
    Object* animal[4] = {penguin, swallow, bat, tiger};
 
    IFly* flies[3] = {NULL};
    flies[0] = Swallow_AsIFly(swallow);
    flies[1] = Bat_AsIFly(bat);
    flies[2] = Plane_AsIFly(plane);
 
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        Animal_Eat(animal[i]);
        Animal_Breed(animal[i]);
    }
 
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        IFly_Fly(flies[i]);
    }
 
    Penguin_Delete(penguin);
    Swallow_Delete(swallow);
    Bat_Delete(bat);
    Tiger_Delete(tiger);
    Plane_Delete(plane);
 
    return 0;
}

上面编译时需要加 "-std=c99" 才能通过编译。

博主已实现了上面的Demo，代码已提交到：http://git.oschina.net/hevake_lcj/C_OOP_DEMO

该Demo实现了OOP的类继承、多态的特性。继承只支持单继承，还没有实现接口功能。

每个对象由三部分组成：info, data, func

info，类信息，存储该对象的：类型ID、虚函数表地址
data，对象的数据
func，虚函数指针

如下为 info 的定义：

typedef struct {
    uint32_t tag;   //! 高16位为TAG，低16位为class_id
    void* vfun;     //! 虚函数结构体地址
} class_info_t;

例如 Animal 类的定义，见 animal_def.h ：

typedef struct {
    int health; 
} Animal_Data;
 
typedef struct {
    void (*Eat)();
    void (*Breed)();
} Animal_Func;
 
typedef struct {
    class_info_t info;
    Animal_Data data;
    Animal_Func func;
} Animal;

结构图：

<明天再写>

即将讨论话题：

- 如何表述类的继承关系？

- 为什么要将data与func分开？

博主自己测试了一下，结果是：

$ ./c_oop_demo
start
企鹅吃鱼
蛋生
燕子吃虫子
蛋生
蝙蝠吃飞虫
胎生
老虎要吃肉
胎生
end

从上看来，已达到了预期的多态效果。

C++与C的比较

居说C++编译出来的可执行文件远多于C。于是博主对比了一下c_oop_demo与C++编译的同功能的可执行文件cpp_demo。博主惊讶地发现 c_oop_demo 的文件大小既还比 cpp_demo大一点。况且上面的 c_oop_demo 还没有实现接口功能呢，要是实现了，那不更大？这不由令博主对用C实现OOP，以为可以节省空间的想法大为失望。

看来，在实现同样的oop功能下，C++编译出的输出文件比自己手把手写的c_oop_demo要小，说明C++在这方便做了不少的优化。相比之下，C++用50多行的代码实现的功能，用C（博主亲自统计的）居然要写近1000行代码。代码的可维护性远不及C++。说C++生成的文件庞大，真是冤枉了C++。用C完成同等功还不如C++干得漂亮。

码农公寓

C++与C的比较

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