轻量级的面向对象 C 语言编程框架 LW_OOPC 介绍

摘要：

本文介绍一种轻量级的面向对象的C语言编程框架：LW_OOPC。LW_OOPC是Light-Weight Object-Oriented Programming in(with) C的缩写，总共一个.h文件，20个宏，约130行代码，非常的轻量级，但却很好的支持了很多面向对象的特性，比如继承、多态，可以优美的实现面向接口编程。

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为什么要用面向对象？

面向过程方式开发的系统，代码复杂，耦合性强，难以维护，随着我们所要解决的问题越来越复杂，代码也变得越来越复杂，越来越难以掌控，而面向对象改变了程序员的思维方式，以更加符合客观世界的方式来认识世界，通过合理的运用抽象、封装、继承和多态，更好的组织程序，从而很好地应对这种复杂性。

为什么不直接使用C++？

C和C++之争由来已久，可能要持续到它们中的一种去世^_。C语言以其简洁明快，功能强大的特点，深得开发人员的喜爱，尤其是在嵌入式开发领域，C语言更是占据了绝对老大的地位。在我看来，语言只是工具，作为程序员，我们要做的是：选择合适的语言，解决恰当的问题。我们要尊重事实，考虑开发环境（软硬件环境），考虑团队成员的水平，从商用工程的角度讲，选择团队成员擅长的语言进行开发，风险要小很多。

​ 一些从Java/C#转到C的程序员们，无法从面向对象切换到面向过程，但又必须与C语言同事们在遗留的C系统上开发软件，他们有时会非常困惑：C语言是面向过程的编程语言，如何实践面向对象，甚至面向接口编程呢？此时，就非常需要在C语言中实现面向对象的手段，而LW_OOPC正是应对这一难题的解决之道。

LW_OOPC是什么？

​ 简而言之：LW_OOPC是一套C语言的宏，总共1个.h文件（如果需要内存泄漏检测支持以及调试打印支持，那么还需要1个.c文件（lw_oopc.c，约145行）），20个宏，约130行代码。LW_OOPC是一种C语言编程框架，用于支持在C语言中进行面向对象编程。

LW_OOPC宏介绍

下面，先通过一个简单的示例来展示LW_OOPC这套宏的使用方法。我们要创建这样一些对象：动物（Animal），鱼（Fish），狗（Dog），车子（Car）。显然，鱼和狗都属于动物，都会动，车子也会动，但是车子不是动物。会动是这些对象的共同特征，但是，显然它们不属于一个家族。因此，我们首先考虑抽象出一个接口（IMoveable），以描述会动这一行为特征：

INTERFACE(IMoveable)

{

  void (*move)(IMoveable* t);   // Move行为

};

INTERFACE宏用于定义接口，其成员（方法）均是函数指针类型。

​ 然后，我们分析Animal，它应该是抽象类还是接口呢？动物都会吃，都需要呼吸，如果仅仅考虑这两个特征，显然可以把Animal定为接口。不过，这里，为了展示抽象类在LW_OOPC中如何应用。我们让Animal拥有昵称和年龄属性，并且，让动物和我们打招呼（sayHello方法)，但，我们不允许用户直接创建Animal对象，所以，这里把Animal定为抽象类：

ABS_CLASS(Animal)

{

  char name[128];   // 动物的昵称(假设小于128个字符)

  int age;      // 动物的年龄

 

  void (*setName)(Animal* t, const char* name);  // 设置动物的昵称

  void (*setAge)(Animal* t, int age);       // 设置动物的年龄

  void (*sayHello)(Animal* t);          // 动物打招呼

  void (*eat)(Animal* t);             // 动物都会吃（抽象方法，由子类实现）

  void (*breathe)(Animal* t);          // 动物都会呼吸（抽象方法，由子类实现）

  void (*init)(Animal* t, const char* name, int age);  // 初始化昵称和年龄

};

ABS_CLASS宏用于定义抽象类，允许有成员属性。代码的含义参见代码注释。

​ 紧接着，我们来定义Fish和Dog类，它们都继承动物，然后还实现了IMoveable接口：

CLASS(Fish)

{

  EXTENDS(Animal);     // 继承Animal抽象类

  IMPLEMENTS(IMoveable); // 实现IMoveable接口

 

  void (*init)(Fish* t, const char* name, int age); // 初始化昵称和年龄

};

 

CLASS(Dog)

{

  EXTENDS(Animal);    // 继承Animal抽象类

  IMPLEMENTS(IMoveable); // 实现IMoveable接口

 

  void(*init)(Dog* t, const char* name, int age);  // 初始化昵称和年龄

};

为了让Fish对象或Dog对象在创建之后，能够很方便地初始化昵称和年龄，Fish和Dog类均提供了init方法。

​ 下面，我们来定义Car，车子不是动物，但可以Move，因此，让Car实现IMoveable 接口即可：

CLASS(Car)

{

  IMPLEMENTS(IMoveable); // 实现IMoveable接口（车子不是动物，但可以Move）

};

​ 接口，抽象类，具体类的定义都已经完成了。下面，我们开始实现它们。接口是不需要实现的，所以IMoveable没有对应的实现代码。Animal是抽象动物接口，是半成品，所以需要提供半成品的实现：

/* 设置动物的昵称*/

void Animal_setName(Animal* t, const char* name)

{

  // 这里假定name不会超过128个字符，为简化示例代码，不做保护（产品代码中不要这样写）

  strcpy(t->name, name);

}

/* 设置动物的年龄*/

void Animal_setAge(Animal* t, int age)

{

  t->age = age;

}

/* 动物和我们打招呼*/

void Animal_sayHello(Animal* t)

{

  printf("Hello! 我是%s，今年%d岁了！\n", t->name, t->age);

}

/* 初始化动物的昵称和年龄*/

void Animal_init(Animal* t, const char* name, int age)

{

  t->setName(t, name);

  t->setAge(t, age);

}

 

ABS_CTOR(Animal)

FUNCTION_SETTING(setName, Animal_setName);

FUNCTION_SETTING(setAge, Animal_setAge);

FUNCTION_SETTING(sayHello, Animal_sayHello);

FUNCTION_SETTING(init, Animal_init);

END_ABS_CTOR

这里出现了几个新的宏，我们逐个进行讲解。ABS_CTOR表示抽象类的定义开始，ABS_CTOR(Animal)的含义是Animal抽象类的“构造函数”开始。在C语言里边其实是没有C++中的构造函数的概念的。LW_OOPC中的CTOR系列宏（CTOR/END_CTOR，ABS_CTOR/END_ABS_CTOR）除了给对象（在C语言中是struct实例）分配内存，然后，紧接着要为结构体中的函数指针成员赋值，这一过程，也可以称为函数绑定（有点类似C++中的动态联编）。函数绑定的过程由FUNCTION_SETTING宏来完成。

对于Fish和Dog类的实现，与Animal基本上是类似的，除了将ABS_CTOR换成了CTOR，直接参见代码：

/* 鱼的吃行为 */

void Fish_eat(Animal* t)

{

  printf("鱼吃水草！\n");

}

/* 鱼的呼吸行为 */

void Fish_breathe(Animal* t)

{

  printf("鱼用鳃呼吸！\n");

}

/* 鱼的移动行为 */

void Fish_move(IMoveable* t)

{

  printf("鱼在水里游！\n");

}

/* 初始化鱼的昵称和年龄 */

void Fish_init(Fish* t, const char* name, int age)

{

  Animal* animal = SUPER_PTR(t, Animal);

  animal->setName(animal, name);

  animal->setAge(animal, age);

}

 

CTOR(Fish)

SUPER_CTOR(Animal);

FUNCTION_SETTING(Animal.eat, Fish_eat);

FUNCTION_SETTING(Animal.breathe, Fish_breathe);

FUNCTION_SETTING(IMoveable.move, Fish_move);

FUNCTION_SETTING(init, Fish_init);

END_CTOR

上面是Fish的实现，下面看Dog的实现：

/* 狗的吃行为 */

void Dog_eat(Animal* t)

{

  printf("狗吃骨头！\n");

}

/* 狗的呼吸行为 */

void Dog_breathe(Animal* t)

{

  printf("狗用肺呼吸！\n");

}

/* 狗的移动行为 */

void Dog_move(IMoveable* t)

{

  printf("狗在地上跑！\n");

}

/* 初始化狗的昵称和年龄 */

void Dog_init(Dog* t, const char* name, int age)

{

  Animal* animal = SUPER_PTR(t, Animal);

  animal->setName(animal, name);

  animal->setAge(animal, age);

}

 

CTOR(Dog)

SUPER_CTOR(Animal);

FUNCTION_SETTING(Animal.eat, Dog_eat);

FUNCTION_SETTING(Animal.breathe, Dog_breathe);

FUNCTION_SETTING(IMoveable.move, Dog_move);

FUNCTION_SETTING(init, Dog_init);

END_CTOR

细心的朋友可能已经注意到了，这里又有一个陌生的宏：SUPER_CTOR未介绍。这个宏是提供给子类用的，用于调用其直接父类的构造函数（类似Java语言中的super()调用，在这里，其实质是要先调用父类的函数绑定过程，再调用自身的函数绑定过程），类似Java那样，SUPER_CTOR如果要出现，需要是ABS_CTOR或者CTOR下面紧跟的第一条语句。

​ 最后，我们把Car类也实现了：

void Car_move(IMoveable* t)

{

  printf("汽车在开动！\n");

}

 

CTOR(Car)

FUNCTION_SETTING(IMoveable.move, Car_move);

END_CTOR

下面，我们实现main方法，以展示LW_OOPC的威力：

#include "animal.h"

 

int main()

{

  Fish* fish = Fish_new();  // 创建鱼对象

  Dog* dog = Dog_new();    // 创建狗对象

  Car* car = Car_new();    // 创建车子对象

 

  Animal* animals[2] = { 0 };   // 初始化动物容器（这里是Animal指针数组)

  IMoveable* moveObjs[3] = { 0 }; // 初始化可移动物体容器（这里是IMoveable指针数组)

 

  int i = 0;         // i和j是循环变量

  int j = 0;

 

  // 初始化鱼对象的昵称为：小鲤鱼，年龄为：1岁

  fish->init(fish, "小鲤鱼", 1);     

 

  // 将fish指针转型为Animal类型指针，并赋值给animals数组的第一个成员

  animals[0] = SUPER_PTR(fish, Animal); 

 

  // 初始化狗对象的昵称为：牧羊犬，年龄为：2岁

  dog->init(dog, "牧羊犬", 2);      

 

  // 将dog指针转型为Animal类型指针，并赋值给animals数组的第二个成员

  animals[1] = SUPER_PTR(dog, Animal);  

 

  // 将fish指针转型为IMoveable接口类型指针，并赋值给moveOjbs数组的第一个成员

  moveObjs[0] = SUPER_PTR(fish, IMoveable);

 

  // 将dog指针转型为IMoveable接口类型指针，并赋值给moveOjbs数组的第二个成员

  moveObjs[1] = SUPER_PTR(dog, IMoveable);  

 

  // 将car指针转型为IMoveable接口类型指针，并赋值给moveOjbs数组的第三个成员

  moveObjs[2] = SUPER_PTR(car, IMoveable);  

 

  // 循环打印动物容器内的动物信息

  for(i=0; i<2; i++)

  {

	Animal* animal = animals[i];

	animal->eat(animal);

	animal->breathe(animal);

	animal->sayHello(animal);

  }

 

  // 循环打印可移动物体容器内的可移动物体移动方式的信息

  for(j=0; j<3; j++)

  {

	IMoveable* moveObj = moveObjs[j];

	moveObj->move(moveObj);

  }

 

  lw_oopc_delete(fish);

  lw_oopc_delete(dog);

  lw_oopc_delete(car);

 

  return 0;

}

从上边的代码中，我们惊喜地发现，在C语言中，借助LW_OOPC，我们实现了将不同的动物（Fish和Dog对象）装入Animal容器，然后可以用完全相同的方式调用Animal的方法（比如eat和breathe方法），而实际调用的是具体的实现类（Fish和Dog）的对应方法。这正是面向对象中的多态的概念。同样，我们可以将Fish对象，Dog对象，以及Car对象均视为可移动物体，均装入IMoveable容器，然后用完全相同的方式调用IMoveable接口的move方法。看到了吗？借助LW_OOPC，在C语言下我们竟然可以轻松地实现面向对象和面向接口编程！

参考

• lw_oopc 代码
• C语言结构体中如何包含函数
• c语言实现OOP
• 1993年出现的《Object-oriented Programming with ANSI-C》，可能是这方面资料的鼻祖吧？
  下载地址：http://www.planetpdf.com/codecuts/pdfs/ooc.pdf
• 这里也有一个参考网址：
  http://www.eventhelix.com/RealtimeMantra/basics/object_oriented_programming_in_c.htm
• Google或者百度一下，还可以找到不少相关资料。