基於C語言的面向對象編程

嵌入式軟件開發中，雖然很多的開發工具已經支持C++的開發，但是因為有時考慮運行效率和編程習慣，還是有很多人喜歡用C來開發嵌入式軟件。Miro Samek說：“我在開發現場發現，很多嵌入式軟件開發者(絕大多數是電子工程師)都有工作背景而且他們常常不喜歡用C++。”

面向對象編程(OOP)是一種方法，而不依賴於某特定語言。一般認為，OOP只能使用面向對象的語言，如Smalltalk、C++或Java等固有支持OOP的語言。但是，OOP並不依賴於特殊的語言，只要實現了OOP的封裝、繼承和多態性這三大基本特性，使用非固有支持面向對象的語言，也可以進行面向對象的編程。

面向對象編程方法的三大基本特性是：

• 封裝性---封裝數據（屬性）與函數（方法）到類中的能力；
• 繼承性---基於已有的類定義新類的能力；
• 多態性---在運行時具有一致接口的對象相互替換的能力。

雖然這些特性與面向對象語言有關，但幾乎可以用任何語言實現面向對象的這三大基本特性，包括C語言和匯編語言等。事實上，不管實現語言為何，任何大的軟件系統幾乎都會以某種形式使用抽象(封裝)、繼承或多態性。

1.C語言的封裝

1.1 封裝的本質

在C++中，一個類中包括屬性和方法，聲明一個類例子如下：

class A {
  int n;                 //屬性
  A();                   //構造函數
  void function1(int x){...}; //方法
}

在C++中，用A生成兩個對象a1和a2時，如下：

A a1 = new A();
A a2 = new A();

對於非模板類A，在內存中，對所有的對象，方法function1只有一個拷貝，而對每個對象，都有自己獨立的一份屬性拷貝，也就是有多個屬性拷貝，所謂創建一個對象，也就是創建一套屬性。

調用a1.function1()和a2.function1()時，每個對象使用自己的屬性n1和n2，而方法代碼在內存中是同一套。這就相當於調用functin1(n1,x)和function1(n2,x)。

在C語言實現中，把所有的屬性放到一個結構中，所有方法中第一個參數用一個指向自己屬性結構的一個指針me, 如下：
function1(struct *me, ...);
這個方法對所有對象有用，具體對哪個對象的屬性操作，可以用me來區分。

1.2 具體例子

生成兩個文件person.h和person.c，定義一個Person結構類型(也就是類名稱)，把屬性放到結構中，方法中的第一個參數me是Person的引用指針。

pers1.2on.h文件：
在頭文件中以結構定義類成員屬性，聲明構造方法和析構方法，聲明public方法。

#ifndef PERSON_H
#define PERSON_H

    /*1.定義類成員屬性(沒有隱藏)*/
    typedef struct PersonTag {
        String name__; /*屬性*/
        uint8_t age__; /*屬性*/
    }Person;  
      
    /*2.聲明構造和析構函數*/
    void Person_Ctor(Person *me, uint8_t age);/*第一個參數指向屬性*/
    void Person_Xtor(Person *me);/*第一個參數指向屬性*/

    
    /*3.聲明public方法*/
    void Person_setName(Person *me, String name);/*第一個參數指向屬性*/
    String Person_getName(Person *me);/*第一個參數指向屬性*/
    
    /*4.聲明private方法(要在person.c文件中聲明)*/ 
      
#endif

person.c文件：
在.c文件中聲明private方法，並實現所有的方法。

#include "person.h"

/*1.聲明private方法, 用static修飾*/
static void Person_setAge(Person *me, uint8_t age);/*第一個參數指向屬性*/
static uint8_t Person_getAge(Person *me);/*第一個參數指向屬性*/

/*2.實現構造和析構函數*/
void Person_Ctor(Person *me, uint8_t age) {
    me->age__ = age;
}
void Person_Xtor(Person *me) {
    ...
}

/*3.實現public方法*/
void Person_setName(Person *me, String name) {
    me->name__ = name;
}
String Person_getName(Person *me) {
    return me->name__;
}

/*4.實現private方法*/
void Person_setAge(Person *me, uint8_t age) {
    me->age__ = age;
}
uint8_t Person_getAge(Person *me) {
    return me->age__;
}

app.c中使用Person類：

#include "person.h"  /*包含頭*/
void main() {
    String tmp;
    Person l_ps1; /*創建一個實例，實際就是一個屬性*/
    Person l_ps2; /*創建另一個實例，實際就是另一個屬性*/
    
    Person_Ctor(l_ps1, 30);      /*顯式調用構造函數*/
    Person_setName(l_ps1,"張三"); /*使用其public方法*/
    tmp = Person_getName(l_ps1); /*使用其public方法*/
    
    Person_Ctor(l_ps2, 30);       /*使用其public方法*/
    Person_setName(l_ps2, "李四"); /*使用其public方法*/
    tmp = Person_getName(l_ps2);  /*使用其public方法*/
}

2.C語言的繼承

Student繼承自Person, 繼承類屬性結構的第一個參數指向父類屬性，這樣可以滿足Liskov替換原則。

student.h文件：
在頭文件中以結構定義類成員屬性，並聲明構造、析構函數和public方法。

#ifndef STUDENT_H
#define STUDENT_H
#include "person.h"  /*包含父類頭*/

    /*1.定義類屬性(沒有隱藏)*/
    typedef struct StudentTag {
        Person super;   /*第一個參數指向父類Person，繼承父類屬性*/
        uint8_t code__; /*子類添加的屬性*/
    }Student;  
      
    /*2.聲明構造和析構方法*/
    void Student_Ctor(Student *me, uint8_t code);
    void Student_Xtor(Student *me);
    
    /*3.聲明public方法*/
    void Student_setCode(Student *me, uint8_t code);
    uint8_t Student_getCode(Student *me);
    
    /*4.聲明private方法(在.c文件中聲明)*/ 
      
#endif

student.c文件：
在.c文件中聲明private方法，實現所有的構造方法和析構方法，實現所有的public和private方法。

#include "student.h"

/*1.聲明private方法*/
static void XXX(Student *me, ...);
 

/*2.構造和析構方法實現*/
void Student_Ctor(Student *me, String name, uint8_t code) {
    Person_Ctor((Person*)me, name);/*先調用父類構造函數*/
    me->code__ = code;
}
void Person_Xtor(Person *me) {
    ...
}

/*3.public方法實現*/
void Student_setCode(Student *me, uint8_t code) {
    me->code__ = code;
}
 

app.c中使用Student類：

#include "Student.h"  /*包含頭*/
void main() {
    String tmp;
    Student l_st1; /*創建一個實例，實際就是一個屬性*/
    Student l_st2; /*創建另一個實例，實際就是另一個屬性*/
    
    Student_Ctor(l_st1, "張三, 25);  /*顯式調用構造函數*/
    Student_setCode(l_st1, 30); //使用其public方法
    tmp = Student_getCode(l_st1); //使用其public方法
}

3.C語言的多態性

利用C語言的萬能指針void *p可以實現多態。略。

4.總結

用C語言可以實現面向對象的三大特性，適合於嵌入式系統的編程，QP的C版本就是這樣實現的。現在很多的開源軟件，包括postgreSQL、GObject等都采用C語言實現面向對象的方法。采用這個方法，使程序具有更好的可讀性、可擴展性，同時保持了C語言的高效性。