很多程序員小白在剛剛踏入職場，做程序開發(fā)工作的時候，經(jīng)常會被項目經(jīng)理叫去喝茶。
小白，你寫的這代碼耦合太嚴(yán)重啦，簡直沒有設(shè)計可言，更不要說擴(kuò)展性和靈活性，所有的功能都定義在一個類里，這樣隨著功能的增多，代碼就越來越復(fù)雜。你趕緊把代碼拆分一下，各功能進(jìn)行一下代碼封裝。
1那什么是封裝呢?
封裝，在C語言編程中，大部分時候用一個函數(shù)調(diào)用(API)將一個復(fù)雜過程的細(xì)節(jié)屏蔽起來，用戶不需要了解細(xì)節(jié)，只需要調(diào)用該函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的行為。例如吃飯函數(shù)，將盛飯，動筷子，夾菜，張嘴，咀嚼，下咽等細(xì)節(jié)屏蔽起來，我們只需要調(diào)用吃飯函數(shù)，默認(rèn)就實(shí)現(xiàn)了一遍這樣的流程。
面向?qū)ο笏枷胫械姆庋b使用更廣泛，即一個對象類(C語言中用結(jié)構(gòu)體代替)，需要隱藏用戶不需要也不應(yīng)該知道的行為和屬性。用戶在訪問對象時，不需要了解被封裝的對象和屬性，就能使用該對象類，同時對象類也應(yīng)該通過權(quán)限設(shè)置，禁止用戶過多地了解被封裝的對象屬性與行為。
封裝的思想都是為了讓用戶不需要了解對象過多的細(xì)節(jié)，就能直接通過API來使用對象，從而達(dá)到模塊化編程，程序員分工合作，各自負(fù)責(zé)維護(hù)自己負(fù)責(zé)模塊對象細(xì)節(jié)的作用。這個原則普遍存在于現(xiàn)實(shí)生活中，在軟件開發(fā)領(lǐng)域也始終提倡著。
2為什么要進(jìn)行代碼封裝?
我們寫程序是用來解決問題的，而且要解決的是現(xiàn)實(shí)中的問題，所以我們需要將現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化為符號化的問題，而現(xiàn)實(shí)中的問題是由個體所組成的，所以我們將數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的方法封裝起來形成一個個體，這個個體在問題里面有專門的功能，比如一張紙可以折疊，一支筆可以寫，這樣有助于我們以自身的角度進(jìn)行思考分析，這就是面向?qū)ο?。如果用面向過程的思路，會導(dǎo)致問題與程序之間的轉(zhuǎn)化不好處理，可能使解決問題出現(xiàn)偏差。
封裝的過程，其實(shí)就是對事物進(jìn)行抽象的過程，也是對事物進(jìn)行認(rèn)識的過程，我們從開始到現(xiàn)在，封裝的層次越來越深，處理的問題也越來越復(fù)雜。因為我們需要理清復(fù)雜問題的內(nèi)部規(guī)律，從而找出解決問題的辦法，而深層次的封裝使問題恢復(fù)成本來的樣子就是一種解決辦法。所以說封裝是在面對軟件復(fù)雜度增加，開發(fā)過程中遇到各種瓶頸時，為了解決這些問題而提出的，通過封裝可以達(dá)到模塊化編程，程序員分工合作，各自負(fù)責(zé)維護(hù)自己負(fù)責(zé)模塊對象細(xì)節(jié)的作用。當(dāng)封裝的程度達(dá)到了一定的水平，就是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想。
3什么是面向?qū)ο笏枷?，和面向過程有什么不同?
所謂面向?qū)ο蟮乃枷肫鋵?shí)就是一種在代碼編寫之上的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想，和語言無關(guān)，并不是C++或者JAVA 、Python等語言才有的。面向?qū)ο笏枷?，是隨著軟件系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高，面對大規(guī)模軟件系統(tǒng)設(shè)計的問題，而提出的一種管理大型軟件系統(tǒng)設(shè)計的思想。只是在C語言出現(xiàn)時，計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)還在起步階段，面向?qū)ο蟮乃枷肷形窗l(fā)展，因而C語言中缺乏面向?qū)ο笙嚓P(guān)的核心關(guān)鍵詞語法的支持。而JAVA、Python等一些1990年代之后問世的語言，受到C++語言影響以及面向?qū)ο笏枷氲闹饾u流行，在語法層面就提供了面向?qū)ο蟮暮诵年P(guān)鍵詞支持，可以說在處理面向?qū)ο髥栴}上具有先天優(yōu)勢。雖然C語言不支持很多面向?qū)ο蟮暮诵年P(guān)鍵詞，但是隨著Linux內(nèi)核，F(xiàn)fmpeg，Nginx等大規(guī)模以C語言編寫的開源軟件項目的發(fā)展與推廣，C語言遇到的軟件復(fù)雜度增加以及系統(tǒng)設(shè)計與系統(tǒng)長期維護(hù)的問題，與JAVA、C++編程遇到的復(fù)雜度問題是想通的。并且，面向?qū)ο笏枷胍彩怯捎陂_發(fā)者們在開發(fā)過程中遇到瓶頸才提出來的，這些問題，不管是用C語言編程還是JAVA編程，都會客觀存在。因而用C語言模擬JAVA等面向?qū)ο蟮恼Z言，采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行系統(tǒng)頂層設(shè)計是很有必要的。
面向過程與面向?qū)ο蟮乃枷胗猛静煌?，沒有好壞之分。面向?qū)ο笏枷敫鼉A向于程序之上的頂層設(shè)計與程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后真正要實(shí)現(xiàn)一個函數(shù)細(xì)節(jié)的時候，還是需要面向過程地分析細(xì)節(jié)如何實(shí)現(xiàn)，需要初始化哪些變量，注冊哪些結(jié)構(gòu)，設(shè)置哪些寄存器等面向過程的問題。
4在C語言中實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮乃枷?/strong>
既然面向?qū)ο笫欠N思想，任何語言都可以實(shí)現(xiàn)，而且這種思想最重要的幾個特性是封裝，繼承，多態(tài)。那在C語言中如何實(shí)現(xiàn)呢?
在正式介紹C語言實(shí)現(xiàn)封裝，繼承和多態(tài)事前，先介紹一下C語言中的幾個概念和語法。
4.1基本知識
(1)結(jié)構(gòu)體
在C語言中，常把一個對象用結(jié)構(gòu)體進(jìn)行封裝，這樣便于對對象進(jìn)行操作，比如：
strcut Point{
int x;
int y;
};
結(jié)構(gòu)體可以嵌套。因而可以把一個結(jié)構(gòu)體當(dāng)成另一個結(jié)構(gòu)體的成員，如：
struct Circle {
struct Point point_;
int radius;
};
該結(jié)構(gòu)體與以下定義完全一樣(包括內(nèi)存布置都一樣)：
struct Circle {
int x;
int y;
int radius;
};
(2)函數(shù)指針
函數(shù)指針是指針的一種，它指向函數(shù)的首地址(函數(shù)的函數(shù)名即為函數(shù)的首地址)，可以通過函數(shù)指針來調(diào)用函數(shù)。
如函數(shù)：
int func(int a[], int n);
可以這樣聲明函數(shù)指針：
int (*pFunc)(int a[], int n);
這樣使用：
pFunc = func;
(*pFunc)(a, n);【或者PFunc(a, n)】
可以用typedef定義一個函數(shù)指針類型，如：
typdef int (*FUNC)(int a[], int n)
可以這樣使用：
int cal_a(FUNC fptr, int a[], int n)
{
//實(shí)現(xiàn)體
}
(3)extern與static
extern和static是C語言中的兩個修飾符，extern可用于修飾函數(shù)或者變量，表示該變量或者函數(shù)在其他文件中進(jìn)行了定義;static也可用于修飾函數(shù)或者變量，表示該函數(shù)或者變量只能在該文件中使用?？衫盟鼈儗?shù)據(jù)或者函數(shù)進(jìn)行隱藏或者限制訪問權(quán)限。
4.2封裝
在C語言中，可以用結(jié)構(gòu)+函數(shù)指針來模擬類的實(shí)現(xiàn)，而用這種結(jié)構(gòu)定義的變量就是對象。封裝的主要含義是隱藏內(nèi)部的行為和信息，使用者只用看到對外提供的接口和公開的信息。有兩種方法實(shí)現(xiàn)封裝：
(1) 利用C語言語法。在頭文件中聲明，在C文件中真正定義它。
這樣可以隱藏內(nèi)部信息，因為外部不知道對象所占內(nèi)存的大小，所以不能靜態(tài)的創(chuàng)建該類的對象，只能調(diào)用類提供的創(chuàng)建函數(shù)才能創(chuàng)建。這種方法的缺陷是不支持繼承，因為子類中得不到任何關(guān)于父類的信息。如：
//頭文件：point.h
#ifndef POINT_H
#define POINT_H
struct Point;
typedef struct Point point;
point * new_point(); //newer a point object
void free_point(point *point_);// free the allocated space
#endif
//C文件:point.c
#include”point.h”
strcut Point
{
int x;
int y;
};
point * new_point()
{
point * new_point_ = (point *) malloc(sizeof(point));
return new_point_;
}
void free_point(point *point_)
{
if(point_ == NULL)
return;
free(point_);
}
(2) 把私有數(shù)據(jù)信息放在一個不透明的priv變量或者結(jié)構(gòu)體中。只有類的實(shí)現(xiàn)代碼才知道priv或者結(jié)構(gòu)體的真正定義。如:
#ifndef POINT _H
#define POINT_H
typedef struct Point point;
typedef struct pointPrivate pointPrivate;
strcut Point
{
Struct pointPrivate *pp;
};
int get_x(point *point_);
int get_y(point *point_);
point * new_point(); //newer a point object
void free_point(point *point_);// free the allocated space
#endif
//C文件:point.c
#include”point.h”
struct pointPrivate
{
int x;
int y;
}
int get_x(point *point_)
{
return point_->pp->x;
}
int get_y(point *point_)
{
return point_->pp->y;
}
//others…..
4.3繼承
在C語言中，可以利用“結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的布局與結(jié)構(gòu)的聲明具有一致的順序”這一事實(shí)實(shí)現(xiàn)繼承。
比如我們要設(shè)計一個作圖工具，其中可能涉及到的對象有Point(點(diǎn))，Circle(圓)，由于圓是由點(diǎn)組成的，所有可以看成Circle繼承自Point。另外，Point和Circle都需要空間申請，空間釋放等操作，所有他們有共同的基類Base。
//內(nèi)存管理類new.h
#ifndef NEW_H
#define NEW_H
void * new (const void * class, ...);
void delete (void * item);
void draw (const void * self);
#endif
//內(nèi)存管理類的C文件：new.c
#include “new.h”
#include “base.h”
void * new (const void * _base, ...)
{
const struct Base * base = _base;
void * p = calloc(1, base->size);
assert(p);
* (const struct Base **) p = base;
if (base ->ctor)
{
va_list ap;
va_start(ap, _base);
p = base ->ctor(p, &ap);
va_end(ap);
}
return p;
}
void delete (void * self)
{
const struct Base ** cp = self;
if (self && * cp && (* cp) —> dtor)
self = (* cp) —>dtor(self);
free(self);
}
void draw (const void * self)
{
const struct Base * const * cp = self;
assert(self &&* cp && (* cp)->draw);
(* cp) ->draw(self);
}
//基類：base.h
#ifndef BASE_H
#define BASE_H
struct Base
{
size_t size; //類所占空間
void * (* ctor) (void * self, va_list * app); //構(gòu)造函數(shù)
void * (* dtor) (void * self); //析構(gòu)函數(shù)
void (* draw) (const void * self); //作圖
};
#endif
//Point頭文件(對外提供的接口)：point.h
#ifndef POINT_H
#define POINT_H
extern const void * Point; /* 使用方法：new (Point, x, y); */
#endif
//Point內(nèi)部頭文件(外面看不到)：point.r
#ifndef POINT_R
#define POINT_R
struct Point
{
const void * base; //繼承，基類指針，放在第一個位置，const是防止修改
int x, y; //坐標(biāo)
}
#endif
//Point的C文件：point.c
#include “point.h”
#include “new.h”
#include “point.h”
#include “point.r”
static void * Point_ctor (void * _self, va_list * app)
{
struct Point * self = _self;
self ->x = va_arg(* app, int);
self ->y = va_arg(* app, int);
return self;
}
static void Point_draw (const void * _self)
{
const struct Point * self = _self;
printf(“draw (%d,%d)”, self -> x, self -> y);
}
static const struct Base _Point = {
sizeof(struct Point), Point_ctor, 0, Point_draw
};
const void * Point = & _Point;
//測試程序：main.c
#include “point.h”
#include “new.h”
int main (int argc, char ** argv)
{
void * p = new(Point, 1, 2);
draw(p);
delete(p);
}
同樣，Circle要繼承Point，則可以這樣：
struct Circle
{
const struct Point point; //放在第一位，可表繼承
int radius;
};
4.3多態(tài)
可以是用C語言中的萬能指針void* 實(shí)現(xiàn)多態(tài)，接上面的例子：
//測試main.c
void * p = new(Point, 1, 2);
void * pp = new(Circle, 1, 2);
draw(p); //draw函數(shù)實(shí)現(xiàn)了多態(tài)
draw(pp);
delete(p);
delete(pp);
C語言能夠模擬實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笳Z言具有的特性，包括：多態(tài)，繼承，封裝等，現(xiàn)在很多開源軟件都了用C語言實(shí)現(xiàn)了這幾個特性，包括大型開源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)postgreSQL，可移植的C語言面向?qū)ο罂蚣蹽Object，無線二進(jìn)制運(yùn)行環(huán)境BREW。采用C語言實(shí)現(xiàn)多態(tài)，繼承，封裝，能夠讓軟件有更好的可讀性，可擴(kuò)展性。
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