OO in C: C语言中的类模拟和多态,继承

OO in C(1): C语言中的类模拟和多态,继承 liyuming1978 [[/b]原作[/b]][/b][/b] [/b] C语言中的类模拟（C++编程思想） 在面向对象的语言里面，出现了类的概念。这是编程思想的一种进化。所谓类：是对特定数据的特定操作的集合体。所以说类包含了两个范畴：数据和操作。而C语言中的struct仅仅是数据的集合。（liyuming1978@163.com) 1．实例：下面先从一个小例子看起 #ifndef C_Class #define C_Class struct #endif C_Class A { C_Class A *A_this; void (*Foo)(C_Class A *A_this); int a; int b; }; C_Class B{ //B继承了A C_Class B *B_this; //顺序很重要 void (*Foo)(C_Class B *Bthis); //虚函数 int a; &n
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bsp; int b; int c; }; void B_F2(C_Class B *Bthis) { printf("It is B_Fun/n"); } void A_Foo(C_Class A *Athis) { printf("It is A.a=%d/n",Athis->a);//或者这里 // exit(1); // printf("纯虚 不允许执行/n");//或者这里 } void B_Foo(C_Class B *Bthis) { printf("It is B.c=%d/n",Bthis->c); } void A_Creat(struct A* p) { p->Foo=A_Foo; p->a=1; p->b=2; p->A_this=p; } void B_Creat(struct B* p) { p->Foo=B_Foo; p->a=11; p->b=12; p->c=13; p->B_this=p; } int main(int argc, char* argv[]) { C_Class A *ma,a; C_Class B *mb,b; A_Creat(&a);//实例化 B_Creat(&b); mb=&b; ma=&a; ma=(C_Class A*)mb;//引入多态指针 printf("%d/n",ma->a);//可惜的就是 函数变量没有private ma->Foo(ma);//多态 a.Foo(&a);//不是多态了 B_F2(&b);//成员函数，因为效率问题不使用函数指针 return 0; } 输出结果： 11 It is B.c=13 It is A.a=1 It is B_Fun 2．类模拟解说： 我在网上看见过一篇文章讲述了类似的思想（据说C＋＋编程思想上有更加详细的解说，可惜我没空看这个了，如果有知道的人说一说吧）。但是就象C++之父说的：“C++和C是两种语言”。所以不要被他们在语法上的类似就混淆使用，那样有可能会导致一些不可预料的事情发生。 其实我很同意这样的观点，本文的目的也不是想用C模拟C＋＋，用一个语言去模拟另外一个语言是完全没有意义的。我的目的是想解决C语言中，整体框架结构过于分散、以及数据和函数脱节的问题。 C语言的一大问题是结构松散，虽然现在好的大型程序都基本上按照一个功能一个文件的设计方式，但是无法做到更小的颗粒化――原因就在于它的数据和函数的脱节。类和普通的函数集合的最大区别就在于这里。类可以实例化，这样相同的函数就可以对应不同的实例化类的变量。 自然语言的一个特点是概括：比如说表。可以说手表，钟表，秒表等等，这样的描述用面向对象的语言可以说是抽象（继承和多态）。但是我们更要注意到，即使对应于手表这个种类，还是有表链的长度，表盘的颜色等等细节属性，这样细微的属性如果还用抽象，就无法避免类膨胀的问题。所以说类用成员变量来描述这样的属性。这样实例并初始化不同的类，就描述了不同属性的对象。 但是在C语言中，这样做是不可能的（至少语言本身不提供这样的功能）。C语言中，如果各个函数要共享一个变量，必须使用全局变量（一个文件内）。但是全局变量不能再次实例化了。所以通常的办法是定义一个数组。以往C语言在处理这样的问题的时候通常的办法就是这样，比如说socket的号，handel等等其实都是数组的下标。（不同的连接对应不同的号，不同的窗口对应不同的handel，其实这和不同的类有不同的成员变量是一个意思） 个人认为：两种形式（数组和模拟类）并无本质的区别（如果不考虑虚函数的应用的话），它们的唯一区别是：数组的办法将空间申请放在了“模块”内，而类模拟的办法将空间申请留给了外部，可以说就这一点上，类模拟更加灵活。 3．其他的话： 我的上述思想还是很不成熟的，我的目的是想让C语言编程者能够享受面向对象编程的更多乐趣。我们仅仅面对的是浩瀚的“黑箱”，我们的工作是堆砌代码，而且如果要更改代码功能的时候，仅仅换一个黑箱就可以了。 而更大的目的是促使这样的黑箱的产生。或许有一天，一种效率很好，结构很好的语言将会出现。那个时候编程是不是就会象说话一样容易了呢？
C语言的多态实现 相信很多人都看过设计模式方面的书，大家有什么体会呢？Bridge，Proxy，Factory这些设计模式都是基于抽象类的。使用抽象对象是这里的一个核心。 其实我觉得框架化编程的一个核心问题是抽象，用抽象的对象构建程序的主体框架，这是面向对象编程的普遍思想。用抽象构建骨架，再加上多态就形成了一个完整的程序。由于C＋＋语言本身实现了继承和多态，使用这样的编程理念（理念啥意思？跟个风，嘿嘿）在C＋＋中是十分普遍的现象，可以说Virtual（多态）是VC的灵魂。 但是，使用C语言的我们都快把这个多态忘光光了。我常听见前辈说，类？多态？我们用的是C，把这些忘了吧。很不幸的是，我是一个固执的人。这么好的东西，为啥不用呢。很高兴的，在最近的一些纯C代码中，我看见了C中的多态！下面且听我慢慢道来。 1. VC中的Interface是什么 Interface：中文解释是接口，其实它表示的是一个纯虚类。不过我所要说的是，在VC中的Interface其实就是struct，查找Interface的定义，你可以发现有这样的宏定义： #Ifndef Interface #define Interface struct #endif 而且，实际上在VC中，如果一个类有Virtual的函数，则类里面会有vtable，它实际上是一个虚函数列表。实际上C＋＋是从C发展而来的，它不过是在语言级别上支持了很多新功能，在C语言中，我们也可以使用这样的功能，前提是我们不得不自己实现。 2．C中如何实现纯虚类（我称它为纯虚结构） 比较前面，相信大家已经豁然开朗了。使用struct组合函数指针就可以实现纯虚类。 例子： typedef struct { void (*Foo1)(); char (*Foo2)(); char* (*Foo3)(char* st); }MyVirtualInterface; 这样假设我们在主体框架中要使用桥模式。（我们的主类是DoMyAct，接口具体实现类是Act1，Act2）下面我将依次介绍这些“类”。（C中的“类”在前面有说明，这里换了一个，是使用早期的数组的办法） 主类DoMyAct： 主类中含有MyVirtualInterface* m_pInterface; 主类有下函数： DoMyAct_SetInterface(MyVirtualInterface* pInterface) { m_pInterface= pInterface; } DoMyAct_Do() { if(m_pInterface==NULL) return; m_pInterface->Foo1(); c=m_pInterface->Foo2(); } 子类Act1：实现虚结构，含有MyVirtualInterface st[MAX]; 有以下函数： MyVirtualInterface* Act1_CreatInterface() { index=FindValid() //对象池或者使用Malloc ！应该留在外面申请，实例化 if(index==-1) return NULL; St[index].Foo1=Act1_Foo1; // Act1_Foo1要在下面具体实现 St[index].Foo2=Act1_Foo2; St[index].Foo3=Act1_Foo3; Return &st [index]; } 子类Act2同上。 在main中，假设有一个对象List。List中存贮的是MyVirtualInterface指针，则有： if( (p= Act1_CreatInterface()) != NULL) List_AddObject(&List, p); //Add All While(p=List_GetObject()){ DoMyAct_SetInterface(p);//使用Interface代替了原来大篇幅的Switch Case DoMyAct_Do();//不要理会具体的什么样的动作，just do it } FREE ALL。 在微系统里面，比如嵌入式，通常使用对象池的技术，这个时候可以不用考虑释放的问题（对象池预先没有空间，使用Attach，在某个函数中申请一个数组并临时为对象池分配空间，这样函数结束，对象池就释放了） 但是在Pc环境下，由于程序规模比较大，更重要的是一些特殊的要求，使得对象的生命周期必须延续到申请的那个函数体以外，就不得不使用malloc，实际上即使在C＋＋中，new对象的自动释放始终是一个令人头疼的问题，新的标准引入了智能指针。但是就我个人而言，我觉得将内存释放的问题完全的交给机器是不可信任的，它只能达到准最佳。 你知道设计Java的垃圾回收算法有多困难吗？现实世界是错综复杂的，在没有先验条件下，要想得到精确的结果及其困难。所以我说程序员要时刻将free记在心上，有关程序的健壮性和自我防御将在另外一篇文章中讲述。 3．纯虚结构的退化 下面我们来看看如果struct里面仅仅有一个函数是什么？ 这个时候如果我们不使用struct，仅仅使用函数指针又是什么？ 我们发现，这样就退化为普通的函数指针的使用了。 所以说，有的时候我觉得面向对象仅仅是一种形式，而不是一种技术。是一种观点，而不是一种算法。但是，正如炭，石墨和钻石的关系一样，虽然分子式都是C，但是组成方法不一样，表现就完全不一样了！ 有的时候，我们经常被编程中琐碎的事情所烦恼，而偏离了重心，其实程序可进化的特性是很重要的。有可能，第一次是不成功的，但是只要可进化，就可以发展。 4．进阶――类结构树，父类不是纯虚类的类 前面仅仅讲的是父类是纯虚结构的情况 (面向对象建议的是所有类的基类都是从纯虚类开始的), 那么当类层次比较多的情况下，出现父类不是纯虚结构怎么办呢。嘿嘿，其实在C中的实现比C＋＋要简单多了。因为C中各个函数是分散的。 在这里使用宏定义是一个很好的办法：比如两个类Act1，ActByOther1“继承”Act1： MyVirtualInterface* ActByOther1_CreatInterface() { index=FindValid() //对象池或者使用Malloc if(index==-1) return NULL; St[index].Foo1= ActByOther1_Foo1; // Act1_Foo1要在下面具体实现 St[index].Foo2= ActByOther1_Foo2; St[index].Foo3= ActByOther1_Foo3; Return &st [index]; } ＃define ActByOther1_Foo1 Act1_Foo1 //这就是继承 嘿嘿 ActByOther1_Foo2（）{} // 可以修改其实现 ActByOther1_DoByOther() {} //当然就可以添加新的实现咯 5．实例――可以参见H264的源码，其中NalTool就是这样的一个纯虚结构。 类模拟的性能分析 类模拟中使用了大量的函数指针，结构体等等，有必须对此进行性能分析，以便观察这样的结构对程序的整体性能有什么程度的影响。 1．函数调用的开销 #define COUNTER XX void testfunc() { int i,k=0; for(i=0;i