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C语言面向对象编程:封装、继承和多态

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发表于 2019-11-30 20:35:55 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

1. 聚会

C 语言春节回家过年,遇到了不少小伙伴:Java , Python, JavaScript,Ruby......
大家在大城市发展得都不错,回到老家,聚到一起吃饭, 谈天说地,都是喜气洋洋。
尤其是 Python 和 JavaScript,更是成了明星,一个吹嘘说自己是人工智能的必备,另外一个炫耀说自己是世界上最流行的语言,不信有某某语言流行度排行榜为证, 还有 GitHub 上的众多项目云云。
老练的 Java 则是一直拿 TIOBE 排行榜说事儿:“我已经连续 10 多年排行第一了,高处不胜寒啊!”
提到 TIOBE,Python 更是得意:“我今年还被选为 TIOBE 的年度编程语言呢!”  
虽然常年排名 TIOBE 第二,C 语言有点黯然神伤,人类用自己写的程序可真不少,可都是处于底层,在系统级编程、操作系统、数据库、编译器等,与应用层比起来,没那么光鲜亮丽。
现在很多人培训了 Python、Java 就说自己会编程了, 不懂指针、不懂内存、不懂底层的基本原理, 那能算会编程吗?
C 语言开始愤愤不平,闷头吃菜,似乎要把这股郁闷之气发泄到美味佳肴上去。
觥筹交错之间,Java 搂住 C 的肩膀,亲切地说:“兄弟,你有对象了吗?”
这下可捅了马蜂窝,大家的眼光齐刷刷地聚集到 C 语言的身上。
C 嚅嗫了半天:“没,没有。”
“哈哈哈! 我们都有对象,你这么大了还没对象?!”  Python 笑道。
“是啊,一个没有对象的编程语言还有什么前途?” JavaScript 补刀,他原来没有 class 的概念,是通过“原型”实现的 OOP,最近几年才在语法层面引入 class 关键字。
“我虽然没有对象,但是有指针啊,功能非常强大。”
“指针?你说的是那容易出错的指针吗? 现在有谁用指针啊?”  JavaScript 说道。
“不会用指针,就不是真正的程序员!”  C 语言涨红了脸。
餐桌的气氛变得有些尴尬,捅了篓子的 Java 招呼着说:“来来来,继续喝酒。”
好不容易熬到聚餐结束,C 语言回到了自己的家,家里冷冷清清,自己的“亲爹”丹尼斯·里奇(Dennis Ritchie),有史以来最伟大的程序员之一, 已经于 2011 年 10 月不幸去世。
桌子上摆着的一本《C程序设计语言》,那是丹尼斯·里奇唯一的遗着, 拿起这本书,C 不由悲从心来。


2. 串门

C 语言突然想起来对门的 Ken Thompson,那是 Dennis Ritchie 的“好基友”,他们俩一起创造了伟大的 Unix 操作系统,获得了计算机界的最高奖:图灵奖。
要不问问 Ken ? 为什么不让我有对象?不让我面向对象编程!  
C 来到 Ken Thompson 的门口,按了门铃。门开了,C 语言一眼就看到 Ken Thompson 正在和 Go 玩得不亦乐乎,心中更是凄苦,Go 才是人家的亲儿子,我算老几, 转身便要离去。
Ken 却从后面叫住了他:“小 C 啊,快进来,和你的兄弟 Go 玩一会儿。”
看到 C 满脸沮丧,Ken 也大为吃惊:“大过年的,怎么回事?”
C 不满地说:“当年你们为什么不让我有对象?”  
“对象,什么对象? 奥,你是说面向对象编程吧!其实你亲爹把你设计出来,主要是做系统级编程的,要的是贴近硬件,要的是效率,要那复杂玩意儿干啥?中看不中用,再说了,你和 Go 一样,不是有 struct 吗? ”  Ken 转向 Go ,挤了挤眼睛。
“是啊是啊,struct 很好用的!”  Go 马上附和。
“但是 struct 也实现不了 OOP, Python、JavaScript 他们都嘲笑我! ”
“那你说说,什么是 OOP ?” Ken 问道。
“封装、继承、多态吧? ” C 回答到。
“好,我来给你掰扯掰扯,用 C 语言怎么实现封装、继承还有多态!”


3. 封装


Ken Thompson 迅速就写了一段代码。 他说:“我们先来说说封装,这封装就是把信息给隐藏起来,你先看看这段代码。”
shape.h

shape.c

main.c


这里定义了一个叫做 Shape 的结构体,外界只能通过相关的函数来对这个 Shape 进行操作,例如创建(Shape_create), 移动(Shape_move), 还有获取位置(Shape_getX)等,不能直接访问 Shape 的内部数据结构。
虽然这里没有 class 这样的关键字,数据结构和相关操作是分开写的,看起来不太完美, 但确实是实现了封装。

C 看到 Ken Thompson 居然把那个指针的名称叫做 self, 和 Python 的相同,不由得笑了起来:“我明白了,那继承该怎么做呢?”


4. 继承

Ken Thompson 不吭声,继续写代码:

这次定义了一个矩形(Rectangle)的结构体,其中嵌套了 Shape,难道这就实现了继承?  C 有点疑惑。
Go 小子在旁边叫了起来:“我明白了,在内存中,他们是这样的。”

通过这种组合的方式,也算是实现了继承吧。


5. 多态


这么轻松就实现了封装和继承,C 语言感到很兴奋, 但是多态怎么实现呢?
这时候又传来了门铃声,Linus 大神拎着一瓶酒进来,要找 C 小伙儿喝酒,看到这桌子上的代码,立刻就明白了怎么回事。  
他说道:“别整那么多花里胡哨的东西,还多态,不就是函数指针嘛! 我给你举个例子。”

“这个结构体包含了两个函数指针,一个用来计算图形的面积,另外一个把这个图形画出来。我们把这个结构体叫做虚函数表。”
“这有什么用啊?”  
“在你的 Shape 中,添加一个指向该函数表的指针就行了。”  Linus 回答。

C 和Go 都是一脸茫然。
“你们想想啊,当你创建一个子类对象的时候,比如 Rectangle, 把那个虚函数指针 vptr 指向另外一组函数,会怎么样?”
两人还是不懂,Linus 只好继续画图:

现在 C 有点明白了, 无论是 Rectangle 对象,还是 Square 对象,在调用 Shape_area 方法的时候, 都需要通过 vptr 这个指针找到虚函数表中的 area 方法,对于 Rectangle,找到的是 Rectangel_area 方法,对于 Square,找到的是 Square_area 方法。
struct Rectangle *r = Rectangle_create(5,5,10,10);
Shape_area((struct Shape *) r);

“其实吧,你的兄弟 C++ 的多态实现原理也是类似的!在运行时查找真正的函数去执行。”  Ken 总结道。   
“对,这种函数指针的使用方法太常见了,在我的 Linux 操作系统中也会定义类似的东西。” Linus道。

“只要 IO 设备提供这几个函数的实际定义,就可以将 File 结构体的函数指针指向对应的实现,那就实现了用同一套接口操作不同的 IO 设备。”
C 语言高兴起来:“哈哈,我就说我的指针很厉害吧,这些全是通过指针来实现的。”
“是啊,别听Java、Python、JavaScript 他们胡说,你也有对象,也能进行面向对象的编程!”  
C 语言说:“走,喝酒去!”

参考资料:
https://www.state-machine.com/doc/AN_OOP_in_C.pdf
https://stackoverflow.com/questions/415452/object-orientation-in-c


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