C的面向对象编程

C语言并不支持类这样的概念，但是C仍旧可以使用面向对象的概念。

C++中的类，关键在于它的虚函数表。因此，我们要模拟一个能够支持虚函数表的类。

使用C的struct结构，可以模拟类和虚函数。

比如，我们来模拟一个shape类

//模拟虚函数表
typedef struct _Shape Shape;

struct ShapeClass {
   void (*construct)(Shape* self);
   void (*destroy)(Shape *self);
   void (*draw)(Shape *self);
};

struct _Shape {
    ShapeClass *klass;  //定义class的指针
    int x, y, width, height;
};

ShapeClass 定义了Shape类的虚函数表，其中construct和destroy分别模拟构造和析构函数，draw则是一个虚函数。Shape模拟数据成员。Shape中的ShapeClass将关联到具体的实现上。

Shape对象要能够使用，还必须做到以下几点

1. 实现一个ShapeClass类
2. 初始化Shape为正确的类

首先，我们要实现ShapeClass定义的各个成员函数指针

void Shape_construct(Shape* self) {
    self->x = 0;
    self->y  = 0;
    self->width = 100;
    self->height = 100;
}

void Shape_destroy(Shape* self)
{
   //TODO delete datas
}

void Shape_draw(Shape* self)
{
   //TODO draw ....
}

ShapeClass _shape_class = {
    Shape_construct,
    Shape_destroy,
    Shape_draw,
};

Shape *newShape()
{
    Shape *shape = (Shape*)malloc(sizeof(Shape);
    shape->klass = &_shape_class;
    shape->klass->construct(shape);
    return shape;
}

void deleteShape(Shape* shape)
{
   shape->klass->destroy(shape);
   free(shape);
}

当我们调用shape的draw函数时，应该

Shape *shape = newShape();
....
shape->klass->draw(shape);
....
deleteShape(shape);

上面的原理容易理解，但是，编写起代码来，着实繁琐且易错, 而且，construct, destory这类方法都是对象最基本的方法，因此，我们抽象出一个Object类来

#define ClassType(className)    className##Class
#define Class(className)        g_st##className##Cls

typedef struct _mObjectClass mObjectClass;
typedef struct _mObject mObject;

typedef mObjectClass* (*PClassConstructor)(mObjectClass *);

#define mObjectClassHeader(clss, superCls)
    PClassConstructor classConstructor;
    ClassType(superCls) * super;
    const char* typeName; /* */
    unsigned int objSize;
    /* class virtual function */
    void (*construct)(clss *self, DWORD addData);
    void (*destroy)(clss *self);
    DWORD (*hash)(clss *self);
    const char* (*toString)(clss *self, char* str, int max);

struct _mObjectClass {
    mObjectClassHeader(mObject, mObject)
};

extern mObjectClass g_stmObjectCls; //Class(mObject);


#define mObjectHeader(clss)
    ClassType(clss) * _class;

struct _mObject {
    mObjectHeader(mObject)
};

mObject和mObjectClass是所有类的基础类。

这里，我们使用了一个技巧，及通过定义mObjectClassHeader和mObjectHeader两个宏，让Object的继承类能够“继承”Object的定义。这一点在后文讲述。

mObject的定义很简单的，就定义了一个mObjectClass *_class类(mObjectHeader宏的展开)。

mObjectClass的定义，稍微复杂一些，每个成员描述如下：

• classConstructor : 这是类本身的初始化。他的作用是，将类的虚函数表填充完整。之所以用一个函数来填充虚函数表，是为了能够让派生类和基类的类类型都能够得到正确的初始化。
• super : 这是超类，是为继承做准备的
• typeName: 存储类的名称
• objSize: 定义了类本身的大小，这样在malloc的时候，不需要知道具体的类类型，就可以分配足够的空间
• construct, destory: 构造和析构
• hash: hash函数，用在hash表中
• toString:调试时生成描述信息

我们通过extern声明了g_stmObjectCls变量。这个变量是mObjectClass的变量，包含的都是类的虚函数表和最基本的信息。当我们创建类的时候，就需要这个函数了。

下面看看new和delete函数的实现

mObject * newObject(mObjectClass *_class)
{
    mObject * obj;

    if(_class == NULL)
        return NULL;

    obj = (mObject*)calloc(1, _class->objSize);

    if(!obj)
        return NULL;

    obj->_class = _class;

    return obj;
}

void deleteObject(mObject *obj)
{
    if(obj == NULL || obj->_class)
        return;

    _c(obj)->destroy(obj);

    free(obj);
}
......
static inline mObject * ncsNewObject(mObjectClass *_class,DWORD add_data){
    mObject * obj = newObject(_class);
    if(!obj)
<span style="white-space:pre">      </span>return NULL;


    _class->construct(obj, add_data);
    return obj;
}

newObject负责对对象做最基本的初始化: 调用calloc分配空间，然后将_class赋给对象。而ncsNewObject函数，则调用了construct函数，完成对象的初始化。

那么，g_stmObjectCls是如何声明和初始化的？请看代码

static void mObject_construct(mObject* self, DWORD addData)
{
    //do nothing
    //to avoid NULL pointer
}

static void mObject_destroy(mObject* self)
{

}

static DWORD mObject_hash(mObject *self)
{
    return (DWORD)self;
}

static const char* mObject_toString(mObject *self, char* str, int max)
{
    if(!str)
        return NULL;

    snprintf(str, max, "NCS %s[@%p]", TYPENAME(self),self);
    return str;
}

static mObjectClass* mObjectClassConstructor(mObjectClass* _class)
{
    _class->super = NULL;
    _class->typeName = "mObject";
    _class->objSize = sizeof(mObject);

    CLASS_METHOD_MAP(mObject, construct)
    CLASS_METHOD_MAP(mObject, destroy)
    CLASS_METHOD_MAP(mObject, hash)
    CLASS_METHOD_MAP(mObject, toString)
    return _class;
}

mObjectClass Class(mObject) = {
    (PClassConstructor)mObjectClassConstructor
};

CLASS_METHOD_MAP宏的定义是

#define CLASS_METHOD_MAP(clss, name)
        _class->name = (typeof(_class->name))(clss##_##name);

这里为了方便，要求统一的命名规范。

注意到mObjectClassConstructor，他就是mObjectClass中的classConstructor的实现。看所做的工作：

• 给出类的名字
• 给出对象的大小
• 将虚函数表填充完整

mObject类本身没有任何用处，他只是作为根类存在。我们必须定义其他类，才能起到作用。 那么，如果要实现继承，应该怎么办呢？

还以Shape为例，基本上应该是这样

typedef struct _mShape mShape;
typedef struct _mShapeClass mShapeClass;
struct _mShape {
       mObject base;
       int x, y, width, height;
};
struct _mShapeClass {
       mObjectClass base;
       void (*draw)(mShape* self);
};

mShape和mShapeClass都将mObject和mObjectClass放在最上面，这样，C编译器就会保证mShape和mObject的内存结构，在前半部分都是一致的。因此，当我使用 mObject *obj = (mObject*)shape这样的代码时，不会发生任何意外。通过这个方法，就能实现C++的多态。

但，这里有两个问题：

• 如果我们想访问父类的方法，就必须通过 shape->base.XXX来访问，如果访问方法，就必须shape->base._class->construct
• 必须进行强制转换：
  • 如果我们访问父类的虚函数，则必须把子类转换为父类，如 shape->base._class->toString((mObject*)shape);
  • 如果我们要访问自己的虚函数，则必须把父类的虚函数表，转换为自己的，如  ((mShapeClass*)(shape->base._class))->draw(shape);

这不仅仅是写法上繁琐这么简单。当继承层次很多时，既要写一长串的base调用，还必须记住继承的顺序和层次，这基本上是不可能的。

这是，我们需要通过宏，来实现声明的"继承"

#define mShapeHeader(Cls)
     mObjectHeader(Cls)
     int x, y, width, height;

struct  _mShape {
    mShapeHeader(mShape)
};

#define mShapeClassHeader(Cls, Super)
    mObjectClassHeader(Cls, Super)
    void (*draw)(Cls* self)

struct mShapeClass {
    mShapeClassHeader(mShape, mObject)
};

<ClassName>Header和<ClassName>ClassHeader宏很好的解决了这个问题。mObject的所有声明都将在mShape和mShapeClass中在声明一遍，而且，Class的名字，也从mObject替换为了mShape了。这样一来，当我们使用mShape类型的变量时，所有的虚函数都可以被直接调用，不需要任何的转换。

mShape和mObject之间，仍旧保持了那种内存上的一致性。

当mShape作为基类时，他的派生类可以使用mShapeHeader和mShapeClassHeader来生成新的类。

下面，我们讨论下，mShapeClass的初始化问题。

虚函数表虽然定义了结构，却没有定义变量，需要定义：

extern mShapeClass g_stmShapeCls;

然后，在再shape.c中，声明和填充g_stmShapeCls。

g_stmShapeCls的实现和g_stmShapeCls是一样的，也需要定义一个classConstructor函数，然后在这个函数中初始化类的名字、mShape的大小以及draw函数指针的初始化。但是，这样写非常繁琐，因此，我们通过一个宏来定义

  #define BEGIN_MINI_CLASS(clss, superCls)
1 static ClassType(clss) * clss##ClassConstructor(ClassType(clss)* _class);
2 ClassType(clss) Class(clss) = { (PClassConstructor)clss##ClassConstructor };
3 static const char* clss##_type_name = #clss;
4 static ClassType(clss) * clss##ClassConstructor(ClassType(clss)* _class) {
5   _class = (ClassType(clss)*)((PClassConstructor)(Class(superCls).classConstructor))((mObjectClass*)_class);
6   _class->super = &Class(superCls);
7   _class->typeName = clss##_type_name;
8   _class->objSize = sizeof(clss);

  #define END_MINI_CLASS return _class; }

  #define CLASS_METHOD_MAP(clss, name)
        _class->name = (typeof(_class->name))(clss##_##name);

我们把ClassConstructor函数的声明拆成了3部分：初始化定义、结束定义和方法填充。重点解释的是初始化定义：

BEGIN_MINI_CLASS :

• 行1： 前置声明ClassConstructor函数，使用类名以区分不同类的classConstructor函数
• 行2： 声明了g_stmShapeCls变量，并将ClassConstructor赋值给它。这是非常重要的，如果没有这一步骤，那么，虚函数表就无法被初始化；
• 行3：声明一个类的名字的字符串数组
• 行4：定义了ClassConstructor函数的实现部分
• 行5：首先调用超类的ClassConstructor，让超类先初始化一遍，这样如果子类不覆盖超类的函数，那么，我们将继续使用超类的函数，这是多态的“继承”特性
• 行6：设置超类指针
• 行7：设置类名
• 行8：得到成员变量的大小

使用的时候，非常简单

BEGIN_MINI_CLASS(mShape, mObject)
   CLASS_METHOD_MAP(mShape, draw)
END_MINI_CLASS

这样做不仅避免了大量字符输入，更重要的是：1）避免错误；2）避免开发者学习和记住这些通用性很强的内容。

 

 

当然，这种情况下，类还是不能直接使用的，要使用，必须调用一次g_stmShapeCls.classConstructor类，真正完成类的初始化。为了简便，提供一个宏来简化这个过程：

#define MGNCS_WIDGET_REGISTER(className)
    Class(className).classConstructor((mObjectClass*)(void*)(&(Class(className))))

在初始化时

void init()
{
   ...
   MGNCS_WIDGET_REGISTER(mShape);
   ...
}

用C模拟类，还能够得到C++的RTTI的一些效果，例如，模拟java的instanceof关键字

BOOL ncsInstanceOf(mObject *object, mObjectClass* clss)
{
    mObjectClass* objClss;
    if(object == NULL || clss == NULL)
        return FALSE;

    objClss = _c(object);

    while(objClss && clss != objClss){
        objClss = objClss->super;
    }

    return objClss != NULL;
}
#define INSTANCEOF(obj, clss)  ncsInstanceOf((mObject*)(obj), (mObjectClass*)(void*)(&Class(clss)))

我们可以直接去判断，如  INSTANCEOF(rectange, mShape)。这个消耗是很少的，因为，继承层次超过5层的已经非常少了，基本上，继承层次在5层以内就能做出足够的抽象。