为什么要用C语言实现面向对象呢？

不知道有多少人去了解过语言的发展史，早期C语言的语法功能其实比较简单。随着应用需求和场景的变化，C语言的语法功能在不断升级变化。

虽然我们的教材有这么一个结论：C语言是面向过程的语言，C++是面向对象的编程语言，但面向对象的概念是在C语言阶段就有了，而且应用到了很多地方，比如某些操作系统内核、通信协议等。

面向对象编程，也就是大家说的OOP（Object Oriented Programming）并不是一种特定的语言或者工具，它只是一种设计方法、设计思想，它表现出来的三个最基本的特性就是封装、继承与多态。

为什么要用C语言实现面向对象

阅读文本之前肯定有读者会问这样的问题：我们有C++面向对象的语言，为什么还要用C语言实现面向对象呢？

C语言这种非面向对象的语言，同样也可以使用面向对象的思路来编写程序的。只是用面向对象的C++语言来实现面向对象编程会更简单一些，但是C语言的高效性是其他面向对象编程语言无法比拟的。

当然使用C语言来实现面向对象的开发相对不容易理解，这就是为什么大多数人学过C语言却看不懂Linux内核源码。

所以这个问题其实很好理解，只要有一定C语言编程经验的读者都应该能明白：面向过程的C语言和面向对象的C++语言相比，代码运行效率、代码量都有很大差异。在性能不是很好、资源不是很多的MCU中使用C语言面向对象编程就显得尤为重要。

具备条件

要想使用C语言实现面向对象，首先需要具备一些基础知识。比如：（C语言中的）结构体、函数、指针，以及函数指针等，（C++中的）基类、派生、多态、继承等。

首先，不仅仅是了解这些基础知识，而是有一定的编程经验，因为上面说了“面向对象是一种设计方法、设计思想”，如果只是停留在字面意思的理解，没有这种设计思想肯定不行。

因此，不建议初学者使用C语言实现面向对象，特别是在真正项目中。建议把基本功练好，再使用。

利用C语言实现面向对象的方法很多，下面就来描述最基本的封装、继承和多态。

封装

封装就是把数据和函数打包到一个类里面，其实大部分C语言编程者都已近接触过了。

C 标准库中的 fopen（）， fclose（）， fread（）， fwrite（）等函数的操作对象就是 FILE。数据内容就是 FILE，数据的读写操作就是 fread（）、fwrite（），fopen（） 类比于构造函数，fclose（） 就是析构函数。

这个看起来似乎很好理解，那下面我们实现一下基本的封装特性。

#ifndef SHAPE_H#define SHAPE_H #include 《stdint.h》 // Shape 的属性typedef struct {int16_t x; int16_t y; } Shape; // Shape 的操作函数，接口函数void Shape_ctor（Shape * const me， int16_t x， int16_t y）;void Shape_moveBy（Shape * const me， int16_t dx， int16_t dy）;int16_t Shape_getX（Shape const * const me）;int16_t Shape_getY（Shape const * const me）; #endif /* SHAPE_H */

这是 Shape 类的声明，非常简单，很好理解。一般会把声明放到头文件里面 “Shape.h”。来看下 Shape 类相关的定义，当然是在 “Shape.c” 里面。

#include “shape.h” // 构造函数void Shape_ctor（Shape * const me， int16_t x， int16_t y）{ me-》x = x; me-》y = y;} void Shape_moveBy（Shape * const me， int16_t dx， int16_t dy）{ me-》x += dx; me-》y += dy;} // 获取属性值函数int16_t Shape_getX（Shape const * const me） {return me-》x;}int16_t Shape_getY（Shape const * const me） {return me-》y;} 再看下 main.c

#include “shape.h” /* Shape class interface */#include 《stdio.h》 /* for printf（） */ int main（） { Shape s1， s2; /* multiple instances of Shape */ Shape_ctor（&s1， 0， 1）; Shape_ctor（&s2， -1， 2）; printf（“Shape s1（x=%d，y=%d） ”， Shape_getX（&s1）， Shape_getY（&s1））;printf（“Shape s2（x=%d，y=%d） ”， Shape_getX（&s2）， Shape_getY（&s2））; Shape_moveBy（&s1， 2， -4）; Shape_moveBy（&s2， 1， -2）; printf（“Shape s1（x=%d，y=%d） ”， Shape_getX（&s1）， Shape_getY（&s1））;printf（“Shape s2（x=%d，y=%d） ”， Shape_getX（&s2）， Shape_getY（&s2））; return 0;} 编译之后，看看执行结果：

Shape s1（x=0，y=1）Shape s2（x=-1，y=2）Shape s1（x=2，y=-3）Shape s2（x=0，y=0）

整个例子，非常简单，非常好理解。以后写代码时候，要多去想想标准库的文件IO操作，这样也有意识的去培养面向对象编程的思维。

继承

继承就是基于现有的一个类去定义一个新类，这样有助于重用代码，更好的组织代码。在 C 语言里面，去实现单继承也非常简单，只要把基类放到继承类的第一个数据成员的位置就行了。

例如，我们现在要创建一个 Rectangle 类，我们只要继承 Shape 类已经存在的属性和操作，再添加不同于 Shape 的属性和操作到 Rectangle 中。

下面是 Rectangle 的声明与定义：

#ifndef RECT_H#define RECT_H #include “shape.h” // 基类接口 // 矩形的属性typedef struct { Shape super; // 继承 Shape // 自己的属性uint16_t width;uint16_t height;} Rectangle; // 构造函数void Rectangle_ctor（Rectangle * const me， int16_t x， int16_t y，uint16_t width， uint16_t height）; #endif /* RECT_H */

#include “rect.h” // 构造函数void Rectangle_ctor（Rectangle * const me， int16_t x， int16_t y，uint16_t width， uint16_t height）{/* first call superclass’ ctor */ Shape_ctor（&me-》super， x， y）; /* next， you initialize the attributes added by this subclass.。。 */ me-》width = width; me-》height = height;}

我们来看一下 Rectangle 的继承关系和内存布局：

因为有这样的内存布局，所以你可以很安全的传一个指向 Rectangle 对象的指针到一个期望传入 Shape 对象的指针的函数中，就是一个函数的参数是 “Shape *”，你可以传入 “Rectangle *”，并且这是非常安全的。这样的话，基类的所有属性和方法都可以被继承类继承！

#include “rect.h” #include 《stdio.h》 int main（） { Rectangle r1， r2; // 实例化对象 Rectangle_ctor（&r1， 0， 2， 10， 15）; Rectangle_ctor（&r2， -1， 3， 5， 8）; printf（“Rect r1（x=%d，y=%d，width=%d，height=%d） ”， Shape_getX（&r1.super）， Shape_getY（&r1.super）， r1.width， r1.height）;printf（“Rect r2（x=%d，y=%d，width=%d，height=%d） ”， Shape_getX（&r2.super）， Shape_getY（&r2.super）， r2.width， r2.height）; // 注意，这里有两种方式，一是强转类型，二是直接使用成员地址 Shape_moveBy（（Shape *）&r1， -2， 3）; Shape_moveBy（&r2.super， 2， -1）; printf（“Rect r1（x=%d，y=%d，width=%d，height=%d） ”， Shape_getX（&r1.super）， Shape_getY（&r1.super）， r1.width， r1.height）;printf（“Rect r2（x=%d，y=%d，width=%d，height=%d） ”， Shape_getX（&r2.super）， Shape_getY（&r2.super）， r2.width， r2.height）; return 0;}

输出结果：

Rect r1（x=0，y=2，width=10，height=15）Rect r2（x=-1，y=3，width=5，height=8）Rect r1（x=-2，y=5，width=10，height=15）Rect r2（x=1，y=2，width=5，height=8） 多态

C++ 语言实现多态就是使用虚函数。在 C 语言里面，也可以实现多态。 现在，我们又要增加一个圆形，并且在 Shape 要扩展功能，我们要增加 area（） 和 draw（） 函数。但是 Shape 相当于抽象类，不知道怎么去计算自己的面积，更不知道怎么去画出来自己。而且，矩形和圆形的面积计算方式和几何图像也是不一样的。 下面让我们重新声明一下 Shape 类：

#ifndef SHAPE_H#define SHAPE_H #include 《stdint.h》 struct ShapeVtbl;// Shape 的属性typedef struct {struct ShapeVtbl const *vptr;int16_t x; int16_t y; } Shape; // Shape 的虚表struct ShapeVtbl {uint32_t （*area）（Shape const * const me）;void （*draw）（Shape const * const me）;}; // Shape 的操作函数，接口函数void Shape_ctor（Shape * const me， int16_t x， int16_t y）;void Shape_moveBy（Shape * const me， int16_t dx， int16_t dy）;int16_t Shape_getX（Shape const * const me）;int16_t Shape_getY（Shape const * const me）;

static inline uint32_t Shape_area（Shape const * const me）{return （*me-》vptr-》area）（me）;} static inline void Shape_draw（Shape const * const me）{ （*me-》vptr-》draw）（me）;} Shape const *largestShape（Shape const *shapes［］， uint32_t nShapes）;void drawAllShapes（Shape const *shapes［］， uint32_t nShapes）; #endif /* SHAPE_H */

看下加上虚函数之后的类关系图：

5.1 虚表和虚指针虚表（Virtual Table）是这个类所有虚函数的函数指针的集合。 虚指针（Virtual Pointer）是一个指向虚表的指针。这个虚指针必须存在于每个对象实例中，会被所有子类继承。 在《Inside The C++ Object Model》的第一章内容中，有这些介绍。

5.2 在构造函数中设置vptr在每一个对象实例中，vptr 必须被初始化指向其 vtbl。

最好的初始化位置就是在类的构造函数中。事实上，在构造函数中，C++ 编译器隐式的创建了一个初始化的vptr。在 C 语言里面， 我们必须显示的初始化vptr。 下面就展示一下，在 Shape 的构造函数里面，如何去初始化这个 vptr。

#include “shape.h”#include 《assert.h》 // Shape 的虚函数static uint32_t Shape_area_（Shape const * const me）;static void Shape_draw_（Shape const * const me）; // 构造函数void Shape_ctor（Shape * const me， int16_t x， int16_t y）{// Shape 类的虚表static struct ShapeVtbl const vtbl = { &Shape_area_， &Shape_draw_ }; me-》vptr = &vtbl; me-》x = x; me-》y = y;} void Shape_moveBy（Shape * const me， int16_t dx， int16_t dy）{ me-》x += dx; me-》y += dy;} int16_t Shape_getX（Shape const * const me） {return me-》x;}int16_t Shape_getY（Shape const * const me） {return me-》y;} // Shape 类的虚函数实现static uint32_t Shape_area_（Shape const * const me）{ assert（0）; // 类似纯虚函数return 0U; // 避免警告} static void Shape_draw_（Shape const * const me）{ assert（0）;

// 纯虚函数不能被调用} Shape const *largestShape（Shape const *shapes［］， uint32_t nShapes）{ Shape const *s = （Shape *）0;uint32_t max = 0U;uint32_t i;for （i = 0U; i 《 nShapes; ++i） {uint32_t area = Shape_area（shapes［i］）;// 虚函数调用if （area 》 max） { max = area; s = shapes［i］; } }return s;} void drawAllShapes（Shape const *shapes［］， uint32_t nShapes）{uint32_t i;for （i = 0U; i 《 nShapes; ++i） { Shape_draw（shapes［i］）; // 虚函数调用 }} 5.3 继承 vtbl 和 重载 vptr上面已经提到过，基类包含 vptr，子类会自动继承。但是，vptr 需要被子类的虚表重新赋值。并且，这也必须发生在子类的构造函数中。下面是 Rectangle 的构造函数。

#include “rect.h”#include 《stdio.h》 // Rectangle 虚函数static uint32_t Rectangle_area_（Shape const * const me）;static void Rectangle_draw_（Shape const * const me）; // 构造函数void Rectangle_ctor（Rectangle * const me， int16_t x， int16_t y，uint16_t width， uint16_t height）{static struct ShapeVtbl const vtbl = { &Rectangle_area_， &Rectangle_draw_ }; Shape_ctor（&me-》super， x， y）;

// 调用基类的构造函数 me-》super.vptr = &vtbl; // 重载 vptr me-》width = width; me-》height = height;} // Rectangle‘s 虚函数实现static uint32_t Rectangle_area_（Shape const * const me）{ Rectangle const * const me_ = （Rectangle const *）me; //显示的转换return （uint32_t）me_-》width * （uint32_t）me_-》height;} static void Rectangle_draw_（Shape const * const me）{ Rectangle const * const me_ = （Rectangle const *）me; //显示的转换printf（“Rectangle_draw_（x=%d，y=%d，width=%d，height=%d） ”， Shape_getX（me）， Shape_getY（me）， me_-》width， me_-》height）;}

5.4 虚函数调用有了前面虚表（Virtual Tables）和虚指针（Virtual Pointers）的基础实现，虚拟调用（后期绑定）就可以用下面代码实现了。

uint32_t Shape_area（Shape const * const me）{return （*me-》vptr-》area）（me）;} 这个函数可以放到.c文件里面，但是会带来一个缺点就是每个虚拟调用都有额外的调用开销。为了避免这个缺点，如果编译器支持内联函数（C99）。我们可以把定义放到头文件里面，类似下面：

static inline uint32_t Shape_area（Shape const * const me）{return （*me-》vptr-》area）（me）;} 如果是老一点的编译器（C89），我们可以用宏函数来实现，类似下面这样：

#define Shape_area（me_） （（*（me_）-》vptr-》area）（（me_））） 看一下例子中的调用机制：

5.5 main.c

#include “rect.h”#include “circle.h”#include 《stdio.h》 int main（）{ Rectangle r1， r2; Circle c1， c2; Shape const *shapes［］ = { &c1.super， &r2.super， &c2.super， &r1.super }; Shape const *s; // 实例化矩形对象 Rectangle_ctor（&r1， 0， 2， 10， 15）; Rectangle_ctor（&r2， -1， 3， 5， 8）; // 实例化圆形对象 Circle_ctor（&c1， 1， -2， 12）; Circle_ctor（&c2， 1， -3， 6）; s = largestShape（shapes， sizeof（shapes）/sizeof（shapes［0］））;printf（“largetsShape s（x=%d，y=%d） ”， Shape_getX（s）， Shape_getY（s））; drawAllShapes（shapes， sizeof（shapes）/sizeof（shapes［0］））; return 0;}输出结果：

largetsShape s（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）

总结

还是那句话，面向对象编程是一种方法，并不局限于某一种编程语言。用 C 语言实现封装、单继承，理解和实现起来比较简单，多态反而会稍微复杂一点，如果打算广泛的使用多态，还是推荐转到 C++ 语言上，毕竟这层复杂性被这个语言给封装了，你只需要简单的使用就行了。但并不代表，C 语言实现不了多态这个特性。

参考素材：

https://blog.csdn.net/onlyshi/article/details/81672279

编辑：jq