不知道有多少人去了解過語言的發展史，早期C語言的語法功能其實比較簡單。隨著應用需求和場景的變化，C語言的語法功能在不斷升級變化。

雖然我們的教材有這么一個結論：C語言是面向過程的語言，C++是面向對象的編程語言，但面向對象的概念是在C語言階段就有了，而且應用到了很多地方，比如某些操作系統內核、通信協議等。

面向對象編程，也就是大家說的OOP（Object Oriented Programming）并不是一種特定的語言或者工具，它只是一種設計方法、設計思想，它表現出來的三個最基本的特性就是封裝、繼承與多態。

1、為什么用C實現OOP

閱讀文本之前肯定有讀者會問這樣的問題：我們有C++面向對象的語言，為什么還要用C語言實現面向對象呢？

C語言這種非面向對象的語言，同樣也可以使用面向對象的思路來編寫程序的。只是用面向對象的C++語言來實現面向對象編程會更簡單一些，但是C語言的高效性是其他面向對象編程語言無法比擬的。

當然使用C語言來實現面向對象的開發相對不容易理解，這就是為什么大多數人學過C語言卻看不懂Linux內核源碼。

所以這個問題其實很好理解，只要有一定C語言編程經驗的讀者都應該能明白：面向過程的C語言和面向對象的C++語言相比，代碼運行效率、代碼量都有很大差異。在性能不是很好、資源不是很多的MCU中使用C語言面向對象編程就顯得尤為重要。

2、所具備的條件

要想使用C語言實現面向對象，首先需要具備一些基礎知識。比如：（C語言中的）結構體、函數、指針，以及函數指針等，（C++中的）基類、派生、多態、繼承等。

首先，不僅僅是了解這些基礎知識，而是有一定的編程經驗，因為上面說了“面向對象是一種設計方法、設計思想”，如果只是停留在字面意思的理解，沒有這種設計思想肯定不行。

因此，不建議初學者使用C語言實現面向對象，特別是在真正項目中。建議把基本功練好，再使用。

利用C語言實現面向對象的方法很多，下面就來描述最基本的封裝、繼承和多態。

3、封裝

封裝就是把數據和函數打包到一個類里面，其實大部分C語言編程者都已近接觸過了。

C 標準庫中的 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()等函數的操作對象就是 FILE。數據內容就是 FILE，數據的讀寫操作就是 fread()、fwrite()，fopen() 類比于構造函數，fclose() 就是析構函數。

這個看起來似乎很好理解，那下面我們實現一下基本的封裝特性。

#ifndefSHAPE_H
#defineSHAPE_H
#include
//Shape的屬性
typedefstruct{
int16_tx;
int16_ty;
}Shape;
//Shape的操作函數，接口函數
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty);
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy);
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme);
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme);
#endif/*SHAPE_H*/

這是 Shape 類的聲明，非常簡單，很好理解。一般會把聲明放到頭文件里面 “Shape.h”。來看下 Shape 類相關的定義，當然是在 “Shape.c” 里面。

#include"shape.h"
//構造函數
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty)
{
me->x=x;
me->y=y;
}
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy)
{
me->x+=dx;
me->y+=dy;
}
//獲取屬性值函數
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme)
{
returnme->x;
}
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme)
{
returnme->y;
}

#include"shape.h"/*Shapeclassinterface*/
#include/*forprintf()*/
intmain()
{
Shapes1,s2;/*multipleinstancesofShape*/
Shape_ctor(&s1,0,1);
Shape_ctor(&s2,-1,2);
printf("Shapes1(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s1),Shape_getY(&s1));
printf("Shapes2(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s2),Shape_getY(&s2));
Shape_moveBy(&s1,2,-4);
Shape_moveBy(&s2,1,-2);
printf("Shapes1(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s1),Shape_getY(&s1));
printf("Shapes2(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(&s2),Shape_getY(&s2));
return0;
}

編譯之后，看看執行結果：

Shapes1(x=0,y=1)
Shapes2(x=-1,y=2)
Shapes1(x=2,y=-3)
Shapes2(x=0,y=0)

整個例子，非常簡單，非常好理解。以后寫代碼時候，要多去想想標準庫的文件IO操作，這樣也有意識的去培養面向對象編程的思維。

4、繼承

繼承就是基于現有的一個類去定義一個新類，這樣有助于重用代碼，更好的組織代碼。在 C 語言里面，去實現單繼承也非常簡單，只要把基類放到繼承類的第一個數據成員的位置就行了。 例如，我們現在要創建一個 Rectangle 類，我們只要繼承 Shape 類已經存在的屬性和操作，再添加不同于 Shape 的屬性和操作到 Rectangle 中。 下面是 Rectangle 的聲明與定義：

#ifndefRECT_H
#defineRECT_H
#include"shape.h"http://基類接口
//矩形的屬性
typedefstruct{
Shapesuper;//繼承Shape
//自己的屬性
uint16_twidth;
uint16_theight;
}Rectangle;
//構造函數
voidRectangle_ctor(Rectangle*constme,int16_tx,int16_ty,
uint16_twidth,uint16_theight);
#endif/*RECT_H*/

#include"rect.h"
//構造函數
voidRectangle_ctor(Rectangle*constme,int16_tx,int16_ty,
uint16_twidth,uint16_theight)
{
/*firstcallsuperclass’ctor*/
Shape_ctor(&me->super,x,y);
/*next,youinitializetheattributesaddedbythissubclass...*/
me->width=width;
me->height=height;
}

我們來看一下 Rectangle 的繼承關系和內存布局：

因為有這樣的內存布局，所以你可以很安全的傳一個指向 Rectangle 對象的指針到一個期望傳入 Shape 對象的指針的函數中，就是一個函數的參數是 “Shape *”，你可以傳入 “Rectangle *”，并且這是非常安全的。這樣的話，基類的所有屬性和方法都可以被繼承類繼承！

#include"rect.h"
#include
intmain()
{
Rectangler1,r2;
//實例化對象
Rectangle_ctor(&r1,0,2,10,15);
Rectangle_ctor(&r2,-1,3,5,8);
printf("Rectr1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r1.super),Shape_getY(&r1.super),
r1.width,r1.height);
printf("Rectr2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r2.super),Shape_getY(&r2.super),
r2.width,r2.height);
//注意，這里有兩種方式，一是強轉類型，二是直接使用成員地址
Shape_moveBy((Shape*)&r1,-2,3);
Shape_moveBy(&r2.super,2,-1);
printf("Rectr1(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r1.super),Shape_getY(&r1.super),
r1.width,r1.height);
printf("Rectr2(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(&r2.super),Shape_getY(&r2.super),
r2.width,r2.height);
return0;
}

Rectr1(x=0,y=2,width=10,height=15)
Rectr2(x=-1,y=3,width=5,height=8)
Rectr1(x=-2,y=5,width=10,height=15)
Rectr2(x=1,y=2,width=5,height=8)

5、多態

C++ 語言實現多態就是使用虛函數。在 C 語言里面，也可以實現多態。 現在，我們又要增加一個圓形，并且在 Shape 要擴展功能，我們要增加 area() 和 draw() 函數。但是 Shape 相當于抽象類，不知道怎么去計算自己的面積，更不知道怎么去畫出來自己。而且，矩形和圓形的面積計算方式和幾何圖像也是不一樣的。 下面讓我們重新聲明一下 Shape 類：

#ifndefSHAPE_H
#defineSHAPE_H
#include
structShapeVtbl;
//Shape的屬性
typedefstruct{
structShapeVtblconst*vptr;
int16_tx;
int16_ty;
}Shape;
//Shape的虛表
structShapeVtbl{
uint32_t(*area)(Shapeconst*constme);
void(*draw)(Shapeconst*constme);
};
//Shape的操作函數，接口函數
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty);
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy);
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme);
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme);
staticinlineuint32_tShape_area(Shapeconst*constme)
{
return(*me->vptr->area)(me);
}
staticinlinevoidShape_draw(Shapeconst*constme)
{
(*me->vptr->draw)(me);
}
Shapeconst*largestShape(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes);
voiddrawAllShapes(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes);
#endif/*SHAPE_H*/

看下加上虛函數之后的類關系圖：

5.1 虛表和虛指針

虛表（Virtual Table）是這個類所有虛函數的函數指針的集合。

虛指針（Virtual Pointer）是一個指向虛表的指針。這個虛指針必須存在于每個對象實例中，會被所有子類繼承。

在《Inside The C++ Object Model》的第一章內容中，有這些介紹。

5.2 在構造函數中設置vptr

在每一個對象實例中，vptr 必須被初始化指向其 vtbl。最好的初始化位置就是在類的構造函數中。事實上，在構造函數中，C++ 編譯器隱式的創建了一個初始化的vptr。在 C 語言里面， 我們必須顯示的初始化vptr。

下面就展示一下，在 Shape 的構造函數里面，如何去初始化這個 vptr。

#include"shape.h"
#include
//Shape的虛函數
staticuint32_tShape_area_(Shapeconst*constme);
staticvoidShape_draw_(Shapeconst*constme);
//構造函數
voidShape_ctor(Shape*constme,int16_tx,int16_ty)
{
//Shape類的虛表
staticstructShapeVtblconstvtbl=
{
&Shape_area_,
&Shape_draw_
};
me->vptr=&vtbl;
me->x=x;
me->y=y;
}
voidShape_moveBy(Shape*constme,int16_tdx,int16_tdy)
{
me->x+=dx;
me->y+=dy;
}
int16_tShape_getX(Shapeconst*constme)
{
returnme->x;
}
int16_tShape_getY(Shapeconst*constme)
{
returnme->y;
}
//Shape類的虛函數實現
staticuint32_tShape_area_(Shapeconst*constme)
{
assert(0);//類似純虛函數
return0U;//避免警告
}
staticvoidShape_draw_(Shapeconst*constme)
{
assert(0);//純虛函數不能被調用
}
Shapeconst*largestShape(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes)
{
Shapeconst*s=(Shape*)0;
uint32_tmax=0U;
uint32_ti;
for(i=0U;imax)
{
max=area;
s=shapes[i];
}
}
returns;
}
voiddrawAllShapes(Shapeconst*shapes[],uint32_tnShapes)
{
uint32_ti;
for(i=0U;i


	

	5.3 繼承 vtbl 和 重載 vptr

	上面已經提到過，基類包含 vptr，子類會自動繼承。但是，vptr 需要被子類的虛表重新賦值。并且，這也必須發生在子類的構造函數中。下面是 Rectangle 的構造函數。

	
#include"rect.h"
#include
//Rectangle虛函數
staticuint32_tRectangle_area_(Shapeconst*constme);
staticvoidRectangle_draw_(Shapeconst*constme);
//構造函數
voidRectangle_ctor(Rectangle*constme,int16_tx,int16_ty,
uint16_twidth,uint16_theight)
{
staticstructShapeVtblconstvtbl=
{
&Rectangle_area_,
&Rectangle_draw_
};
Shape_ctor(&me->super,x,y);//調用基類的構造函數
me->super.vptr=&vtbl;//重載vptr
me->width=width;
me->height=height;
}
//Rectangle's虛函數實現
staticuint32_tRectangle_area_(Shapeconst*constme)
{
Rectangleconst*constme_=(Rectangleconst*)me;//顯示的轉換
return(uint32_t)me_->width*(uint32_t)me_->height;
}
staticvoidRectangle_draw_(Shapeconst*constme)
{
Rectangleconst*constme_=(Rectangleconst*)me;//顯示的轉換
printf("Rectangle_draw_(x=%d,y=%d,width=%d,height=%d)n",
Shape_getX(me),Shape_getY(me),me_->width,me_->height);
}

	

	5.4 虛函數調用

	有了前面虛表（Virtual Tables）和虛指針（Virtual Pointers）的基礎實現，虛擬調用（后期綁定）就可以用下面代碼實現了。

	
uint32_tShape_area(Shapeconst*constme)
{
return(*me->vptr->area)(me);
}

	

	這個函數可以放到.c文件里面，但是會帶來一個缺點就是每個虛擬調用都有額外的調用開銷。為了避免這個缺點，如果編譯器支持內聯函數（C99）。我們可以把定義放到頭文件里面，類似下面：

	
staticinlineuint32_tShape_area(Shapeconst*constme)
{
return(*me->vptr->area)(me);
}


	

	如果是老一點的編譯器（C89），我們可以用宏函數來實現，類似下面這樣：

	
#defineShape_area(me_)((*(me_)->vptr->area)((me_)))


	

	看一下例子中的調用機制：

	  ? 5.5 main.c
#include"rect.h"
#include"circle.h"
#include
intmain()
{
Rectangler1,r2;
Circlec1,c2;
Shapeconst*shapes[]=
{
&c1.super,
&r2.super,
&c2.super,
&r1.super
};
Shapeconst*s;
//實例化矩形對象
Rectangle_ctor(&r1,0,2,10,15);
Rectangle_ctor(&r2,-1,3,5,8);
//實例化圓形對象
Circle_ctor(&c1,1,-2,12);
Circle_ctor(&c2,1,-3,6);
s=largestShape(shapes,sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));
printf("largetsShapes(x=%d,y=%d)n",Shape_getX(s),Shape_getY(s));
drawAllShapes(shapes,sizeof(shapes)/sizeof(shapes[0]));
return0;
}

	

	輸出結果：

	
largetsShapes(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)

	

	6、總結 

	還是那句話，面向對象編程是一種方法，并不局限于某一種編程語言。用 C 語言實現封裝、單繼承，理解和實現起來比較簡單，多態反而會稍微復雜一點，如果打算廣泛的使用多態，還是推薦轉到 C++ 語言上，畢竟這層復雜性被這個語言給封裝了，你只需要簡單的使用就行了。但并不代表，C 語言實現不了多態這個特性。  文章來源：直接來源，嵌入式情報局

	

	-- End--

	本號對所有原創、轉載文章的陳述與觀點均保持中立，推送文章僅供讀者學習和交流。文章、圖片等版權歸原作者享有，如有侵權，聯系刪除。

	審核編輯黃宇