純C語言實現簡單封裝繼承機制
0 繼承是OO設計的基礎
繼承是OO設計中的基本部分,也是實現多型的基礎,C++,C#,Objective-C,Java,PHP,JavaScript等為OO而設計的語言,其語言本身對實現繼承提供了直接支援。而遵循C/Unix設計哲學的語言,從不限定程式設計風格,而且提供了實現OO的基本支援。下面我們就來看看如何用C語言實現繼承。
1 記憶體佈局層面上繼承的含義
如今幾乎所有程式設計師都知道繼承的抽象含義,對於被用爛了的貓狗繼承動物的例子也耳熟能詳。在此,我們拋開抽象世界,深入到繼承的具體實現上。當然不同的語言對繼承的實現機制並不完全相同,但是瞭解其中一種典型的實現細節對於理解繼承是非常有好處的。這裡我們以C++為例進行說明。
class B
{
int x;
int y;
int z;
};
class C : B
{
float f;
char s[10];
};
上述程式碼表示子類C繼承了父類B,下面是類C的一個例項(物件)的記憶體佈局。
C物件有兩部分組成,紅色區域是繼承自B的部分,藍色區域是自身特有的。這樣一來,紅色部分完全可以當成是一個B類物件。
2 利用結構體實現繼承的兩種方法
2.1 父類物件作為子類的成員
理解了繼承的記憶體佈局原理之後,用C來實現繼承就非常容易了。最容易想到的方法如下:
struct B
{
int x;
int y;
int z;
};
struct C
{
struct B objB;
float f;
char s[10];
};
上述程式碼通過在C中包含一個B型別的成員來實現繼承,此方法非常直接,但使用起來有一些不太方便。
struct C objC;
objC.objB.x = 10;
((struct B*)&objC)->x = 10;
要想訪問父類的成員x,有兩種方法,一種是objC.objB.x;另一種是((struct B*)&objC)->x = 10。這兩種方式都看起來不夠直接。而在子類方法中訪問父類成員是非常頻繁的。
void c_member_method(struct C* pObjC)
{
pObjC->objB.x = 20; /* 訪問父類成員 */
pObjC->f = 0.23f; /* 訪問自身成員 */
}
第一種方法,感覺更像是OB風格,而不是OO。
第二種方法,必須進行強制型別轉換,感覺語法上不夠美觀。
2.2 子類包含所有的父類成員
struct C
{
int x;
int y;
int z;
float f;
char s[10];
};
把所有的父類成員原樣作為子類的成員。這樣子類物件訪問繼承來的成員就非常直接了。
void c_member_method(struct C* pObjC)
{
pObjC->x = 20; /* 訪問父類成員 */
pObjC->f = 0.23f; /* 訪問自身成員 */
}
void main()
{
struct C objC;
objC.x = 10;
}
看起來很好,實際上在工程上會存在一個很大的問題:難以維護!例如,每當建立一個子類,必須原樣書寫所有的父類成員,當父類定義變動時,子類需要做出同樣的修改。一旦父類稍具規模,維護這種繼承關係將是一場噩夢!
那麼如何解決的?
方法是現成的,那就是利用C語言的預處理巨集定義#define. 如下所示:
#define B_STRUCT \
int x; \
int y; \
int z
struct B
{
B_STRUCT;
};
struct C
{
B_STRUCT;
float f;
char s[10];
};
當繼承層級更深時,例如 C繼承B,D繼承C,可以照搬此方法。
#define B_STRUCT \
int x; \
int y; \
int z
struct B
{
B_STRUCT;
};
#define C_STRUCT \
B_STRUCT; \
float f; \
char s[10]
struct C
{
C_STRUCT;
};
#define D_STRUCT \
C_STRUCT; \
double d
struct D
{
D_STRUCT;
};
通過巨集定義,可以很容易實現和維護這種繼承關係。
3 方法(成員函式)的封裝與繼承
C語言中沒有成員函式的概念,語言本身也不支援。使用C語言實現真正的成員函式幾乎是不可能的,除非嵌入組合語言。與其使用匯編語言,還不如直接使用C++呢。所以,我們不追求形式上的成員函式,只實現意義上的成員函式–(對給定型別物件進行操作)的函式,並使用帶結構名字首的函式名加以命名之。我們還是以上面的例子進行說明。
typedef struct B B;
static void b_member_function(B* pobjB) /* 類B的成員函式 */
{
}
typedef struct C C;
static void c_member_function(C* pobjC) /* 類C的成員函式 */
{
}
對成員函式的呼叫,有兩種情形:(1)外部程式碼呼叫成員函式;(2)子類成員函式中呼叫父類的成員函式;
static void c_member_function(C* pobjC)
{
b_member_function((B*)pobjC); /* 子類成員函式內部呼叫父類成員函式 */
}
void main()
{
C* pObjC = malloc(sizeof(C));
b_member_function((B*)pObjC); /* 外部程式碼呼叫成員函式 */
free(pObjC);
}
這兩種情況都需要對實參進行強制型別轉換為父型別。C編譯器對型別繼承關係一無所知,無法從語法上對繼承進行自動支援,所以只能手動強制型別轉換了。
有些人喜歡更進一步模擬成員函式,把所有成員函式的地址作為指標型別的成員變數儲存到結構體內部。如下:
#define B_STRUCT \
int x; \
int y; \
int z; \
void (*pb_member_function1)(B*); \
void (*pb_member_function2)(B*, int arg)
struct B
{
B_STRUCT;
};
/* 初始化B物件的同時初始化 */
B* b = malloc(sizeof(B));
b->pb_member_function1 = b_member_function1;
b->pb_member_function2 = b_member_function2;
/* 呼叫 */
b->b_member_function1(b);
這樣形式上更加接近“成員函式”,但同時也帶來了額外的記憶體開銷和程式碼量。為了減小記憶體消耗,有人提出不再在物件中完全存放所有成員函式指標,而是隻存放一個指向成員函式地址列表的指標。畢竟,同一型別的所有例項(物件)共享相同的一組成員函式。
/* B型別的成員方法表 */
const struct B_MethodTable
{
void (*pb_member_function1)(B*);
void (*pb_member_function2)(B*, int arg);
}b_method_table{
b_member_function1,
b_member_function2,
};
#define B_STRUCT \
int x; \
int y; \
int z; \
struct B_MethodTable * pMethodTable;
struct B
{
B_STRUCT;
};
/* 初始化B物件的同時初始化 */
B* b = malloc(sizeof(B));
b->pMethodTable = &b_method_table;
/* 呼叫 */
b->pMethodTable->pb_member_function1(b);
這樣在一定程度上減小了記憶體佔用量和程式碼量,但是隊成員函式的呼叫寫法卻變得非常繁瑣不自然。
4 做到何種程度?
使用C語言做OO開發時,要掌握好一個度。不要過分追求對OO語言C++的模擬,完全模擬C++的話,還不如干脆直接使用C++。
- 有些語言特性無法模擬,如C++中private,protected等訪問限定符,成員函式的this指標。更應該注重意義上的模擬,通過一些命名規則和約定來達到OO。
- 永遠不要違背C語言的設計哲學:程式設計師控制一切,直接簡明。
這個度的把握需要根據具體的專案規模和需求,是實踐中摸索出來的,無法給出理論上的最優值。