1、引言
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。很多面向对象的编程语言已经包含这三个特性了，例如 Smalltalk、C++、Java。但是你也可以用几乎所有的编程语言来实现面向对象编程，例如 ANSI-C。要记住，面向对象是一种思想，一种方法，不要太拘泥于编程语言。
2、封装
封装就是把数据和方法打包到一个类里面。其实C语言编程者应该都已经接触过了，C 标准库
中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函数的操作对象就是 FILE。数据内容就是 FILE，数据的读写操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 类比于构造函数，fclose() 就是析构函数。这个看起来似乎很好理解，那下面我们实现一下基本的封装特性。
#ifndef SHAPE_H#define SHAPE_H#include <stdint.h>// Shape 的属性typedef struct {
int16_t x;
int16_t y;
} Shape;// 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);#endif /* SHAPE_H */这是 Shape 类的声明，非常简单，很好理解。一般会把声明放到头文件里面 "Shape.h"。
来看下 Shape 类相关的定义，当然是在 "Shape.c" 里面。
#include "shape.h"// 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;
}再看下 main.c
#include "shape.h" /* Shape class interface */#include <stdio.h> /* 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)\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;
}编译之后，看看执行结果：
Shape s1(x=0,y=1) Shape s2(x=-1,y=2) Shape s1(x=2,y=-3) Shape s2(x=0,y=0)
整个例子，非常简单，非常好理解。以后写代码时候，要多去想想标准库的文件IO操作，这样也有意识的去培养面向对象编程的思维。
3、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。在 C 语言里面，去实现单继承也非常简单，只要把基类放到继承类的第一个数据成员的位置就行了。
例如，我们现在要创建一个 Rectangle 类，我们只要继承 Shape 类已经存在的属性和操作，再添加不同于 Shape 的属性和操作到 Rectangle 中。
下面是 Rectangle 的声明与定义：
#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
// 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 */#include "rect.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;
}我们来看一下 Rectangle 的继承关系和内存布局
内存布局
因为有这样的内存布局，所以你可以很安全的传一个指向 Rectangle 对象的指针到一个期望传入 Shape 对象的指针的函数中，就是一个函数的参数是 "Shape *"，你可以传入 “Rectangle *”，并且这是非常安全的。这样的话，基类的所有属性和方法都可以被继承类继承！
#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;
}输出结果：
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)
4、多态
C++ 语言实现多态就是使用虚函数。在 C 语言里面，也可以实现多态。
现在，我们又要增加一个圆形，并且在 Shape 要扩展功能，我们要增加 area() 和 draw() 函数。但是 Shape 相当于抽象类，不知道怎么去计算自己的面积，更不知道怎么去画出来自己。而且，矩形和圆形的面积计算方式和几何图像也是不一样的。
下面让我们重新声明一下 Shape 类
#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);
}Shape const *largestShape(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes);void drawAllShapes(Shape const *shapes[], uint32_t nShapes);#endif /* SHAPE_H */看下加上虚函数之后的类关系图
虚函数类图
4.1 虚表和虚指针
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。
在《Inside The C++ Object Model》的第一章内容中，有这些介绍。
4.2 在构造函数中设置vptr
在每一个对象实例中，vptr 必须被初始化指向其 vtbl。最好的初始化位置就是在类的构造函数中。事实上，在构造函数中，C++ 编译器隐式的创建了一个初始化的vptr。在 C 语言里面， 我们必须显示的初始化vptr。
下面就展示一下，在 Shape 的构造函数里面，如何去初始化这个 vptr。
#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
}
}注释比较清晰，这里不再多做解释。
4.3 继承 vtbl 和 重载 vptr
上面已经提到过，基类包含 vptr，子类会自动继承。但是，vptr 需要被子类的虚表重新赋值。并且，这也必须发生在子类的构造函数中。下面是 Rectangle 的构造函数。
#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);
}4.4 虚函数调用
有了前面虚表（Virtual Tables）和虚指针（Virtual Pointers）的基础实现，虚拟调用（后期绑定）就可以用下面代码实现了。
uint32_t Shape_area(Shape const * const me)
{ return (*me->vptr->area)(me);
}这个函数可以放到.c文件里面，但是会带来一个缺点就是每个虚拟调用都有额外的调用开销。为了避免这个缺点，如果编译器支持内联函数（C99）。我们可以把定义放到头文件里面，类似下面：
static inline uint32_t Shape_area(Shape const * const me) { return (*me->vptr->area)(me);
}如果是老一点的编译器（C89），我们可以用宏函数来实现，类似下面这样：
#define Shape_area(me_) ((*(me_)->vptr->area)((me_)))
看一下例子中的调用机制：
虚拟调用机制
4.5 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;
}输出结果：
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)
5、总结
还是那句话，面向对象编程是一种方法，并不局限于某一种编程语言。用 C 语言实现封装、单继承，理解和实现起来比较简单，多态反而会稍微复杂一点，如果打算广泛的使用多态，还是推荐转到 C++ 语言上，毕竟这层复杂性被这个语言给你封装了，你只需要简单的使用就行了。但并不代表，C 语言实现不了多态这个特性。
作者：容我三思兮
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