干货 | C语言实现面向对象编程(附代码)
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前言
GOF的《设计模式》一书的副标题叫做“可复用面向对象软件的基础”,从标题就能看出面向对象是设计模式基本思想。
由于C语言并不是面向对象的语言,C语言没有直接提供封装、继承、组合、多态等面向对象的功能,但C语言有struct和函数指针。我们可以用struct中的数据和函数指针,以此来模拟对象和类的行为。
所以在正式开始设计模式前,先看看如何用C语言实现面向对象编程。
本章针对面向对象的封装、继承、组合、多态给出C语言的实现方法。
封装
封装是指对象仅暴露必要的对外接口(这里指public方法)来和其它对象进行交互,其它的属性和行为都无需暴露,这使得对象的内部实现可以自由修改。
这也要求对象包含它能进行操作所需要的所有信息,不必依赖其它对象来完成自己的操作。
以下以电力公司的例子演示封装。
电力公司生产并提供电力。为了汇聚各种发电厂的电力并让用户获得电力,电力公司提供了两个统一接口:
1、电力公司汇聚各种发电厂的电力,无论是火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂等都使用一个接口。如果什么时候一家火力发电厂改造成了风力发电厂,发电厂的实现完全不一样了,但接口不变,所以电力公司感觉不到发电厂变了,不需要为了发电厂实现升级而改造电力公司的系统。
2、电力公司向用户提供电力,无论用户用电的设备是烤面包机还是洗衣机,电力公司和用户之间都使用一个接口(电源插座)。用户的用电设备可以千变万化,但接口(电源插座)不变。所以电力公司不用关系用户的什么设备在用电。
代码:
#include struct PowerCompany { int powerReserve; void (*PowerPlant)(struct PowerCompany *this, int power); void (*PowerUser)(struct PowerCompany *this, int power);
}; void PowerPlant(struct PowerCompany *this, int power) { this->powerReserve += power; printf("默认发电厂,发电%d瓦\n", power); return;
} void PowerUser(struct PowerCompany *this, int power) { if (this->powerReserve >= power) { printf("用电%d瓦\n", power); this->powerReserve -= power;
} else { printf("电力不足,用电失败\n");
} return;
} /* struct PowerCompany 的构造函数 */ void PowerCompany(struct PowerCompany *this) { this->powerReserve = 0; this->PowerPlant = PowerPlant; this->PowerUser = PowerUser; return;
} /* struct PowerCompany 的析构函数 */ void _PowerCompany(struct PowerCompany *this)
{
} int main(void) { struct PowerCompany myPowerCompany; PowerCompany(&myPowerCompany); /* 发电 */ myPowerCompany.PowerPlant(&myPowerCompany, 1000); /* 用电 */ myPowerCompany.PowerUser(&myPowerCompany, 800);
myPowerCompany.PowerUser(&myPowerCompany, 800);
_PowerCompany(&myPowerCompany); return 0;
}
从电力公司的例子中可以看出,良好的封装可以有效减少耦合性,封装内部实现可以自由修改,对系统的其它部分没有影响。
继承
面向对象编程最强大的功能之一就是代码重用,而继承就是实现代码重用的主要手段之一。继承允许一个类继承另一个类的属性和方法。
我们可以通过识别事物之间的共性,通过抽象公共属性和行为来构造父类,而通过继承父类来构造各子类。父类,即公共属性和行为,就得到了复用。
以下哺乳动物的例子演示继承。
猫和狗都是哺乳动物,它们具有公共的属性和行为。比如,猫和狗都有眼睛,且它们都会叫。
我们把眼睛的颜色、会叫抽象出来,作为哺乳动物父类的属性,让猫类、狗类都继承哺乳动物父类,可实现对”眼睛的颜色“、”会叫“实现的复用。
UML:
代码:
#include struct Mammal { int eyeColor; void (*ShowEyeColor)(struct Mammal *this); int callNum; void (*Call)(struct Mammal *this);
}; void ShowEyeColor(struct Mammal *this) { if (this->eyeColor == 1) { printf("眼睛是绿色\n");
} else { printf("眼睛是蓝色\n");
} return;
} void Call(struct Mammal *this) { printf("叫%d声\n", this->callNum); return;
} // struct Mammal 的构造函数 void Mammal(struct Mammal *this, int eyeColor, int callNum) { this->eyeColor = eyeColor; this->ShowEyeColor = ShowEyeColor; this->callNum = callNum; this->Call = Call; return;
} struct Dog { struct Mammal mammal; }; // struct Dog 的构造函数 void Dog(struct Dog *this, int eyeColor, int callNum) {
Mammal(this, eyeColor, callNum); // 狗类的其它属性,略 return;
} // struct Dog 的析构函数 void _Dog(struct Dog *this)
{
} struct Cat { struct Mammal mammal; // 猫类的其它属性,略 }; // struct Cat 的构造函数 void Cat(struct Cat *this, int eyeColor, int callNum) {
Mammal(this, eyeColor, callNum); return;
} // struct Cat 的析构函数 void _Cat(struct Cat *this)
{
} int main(void) { struct Dog myDog; Dog(&myDog, 1, 3);
myDog.mammal.ShowEyeColor(&myDog);
myDog.mammal.Call(&myDog);
_Dog(&myDog); struct Cat myCat; Cat(&myCat, 2, 5);
myCat.mammal.ShowEyeColor(&myCat);
myCat.mammal.Call(&myCat);
_Cat(&myCat); return 0;
}
多态
多态与继承是紧耦合的关系,但它通常作为面向对象技术中最强大的优点之一。
子类从继承父类的接口,每个子类是单独的实体,每个子类需要对同一消息有单独的应答。
每个子类对同一消息的应答采用继承的相同接口,但每个子类可以有不同的实现,这就是多态。
在猫和狗的例子中,猫类、狗类都继承了哺乳动物父类的“叫”的方法,但猫类、狗类的叫声并不一样,所以猫类、狗类可以采用不同的“叫”的实现。
以下代码演示了多态。
代码:
#include struct Mammal { int eyeColor; void (*ShowEyeColor)(struct Mammal *this); int callNum; void (*Call)(struct Mammal *this);
}; void ShowEyeColor(struct Mammal *this) { if (this->eyeColor == 1) { printf("眼睛是绿色\n");
} else { printf("眼睛是蓝色\n");
} return;
} void Call(struct Mammal *this) { printf("叫%d声\n", this->callNum); return;
} /* struct Mammal 的构造函数 */ void Mammal(struct Mammal *this, int eyeColor, int callNum) { this->eyeColor = eyeColor; this->ShowEyeColor = ShowEyeColor; this->callNum = callNum; this->Call = Call; return;
} struct Dog { struct Mammal mammal; }; void Bark(struct Dog *this) { int i; for (i = 0; i < this->mammal.callNum; i++) { printf("汪 ");
} printf("\n"); return;
} /* struct Dog 的构造函数 */ void Dog(struct Dog *this, int eyeColor, int callNum) {
Mammal(this, eyeColor, callNum); this->mammal.Call = Bark; return;
} // struct Dog 的析构函数 void _Dog(struct Dog *this)
{
} struct Cat { struct Mammal mammal; }; void Meow(struct Cat *this) { int i; for (i = 0; i < this->mammal.callNum; i++) { printf("喵 ");
} printf("\n"); return;
} /* struct Cat 的构造函数 */ void Cat(struct Cat *this, int eyeColor, int callNum) {
Mammal(this, eyeColor, callNum); this->mammal.Call = Meow; return;
} // struct Cat 的析构函数 void _Cat(struct Cat *this)
{
} int main(void) { struct Dog myDog; Dog(&myDog, 1, 3); struct Cat myCat; Cat(&myCat, 2, 5); struct Mammal *myMammal; myMammal = &myDog;
myMammal->Call(myMammal);
myMammal = &myCat;
myMammal->Call(myMammal);
_Dog(&myDog);
_Cat(&myCat); return 0;
}
组合
组合与继承都是面向对象中代码复用的方式,也只有通过组合和继承两种方式能够实现使用其他类构建新类。
在前面讲的继承关系中,我们把通用属性和行为抽象出来作为父类。
例如:猫、狗都是哺乳动物,它们具有哺乳动物通用的属性和行为。猫、狗与哺乳动物的关系是“is-a”,即猫、狗(is-a)哺乳动物。而组合关系体现的是“has-a”。以房子和窗户的关系举例。
我们可以单独构建窗户类,然后把窗户类应用到各种房子类上。此时房子(has-a)窗户,但绝不是窗户(is-a)房子。
以下UML和代码演示了组合。
UML:
代码
#include struct Window { int length; int width; void (*ShowWindow)(struct Window *this);
}; void ShowWindow(struct Window *this) { printf("这是长%d厘米、宽%d厘米的窗户\n", this->length, this->width); return;
} void Window(struct Window *this, int length, int width) { this->length = length; this->width = width; this->ShowWindow = ShowWindow; return;
} void _Window(struct Window *this)
{
} struct House { struct Window *window; int livingRoomNum; int bedRoomNum; int bathRoomNum; void (*ShowHouse)(struct House *this);
}; void ShowHouse(struct House *this) { printf("这是%d室%d厅%d卫的房子\n", this->bedRoomNum, this->livingRoomNum, this->bathRoomNum); return;
} void House(struct House *this, int livingRoomNum, int bedRoomNum, int bathRoomNum) { this->livingRoomNum = livingRoomNum; this->bedRoomNum = bedRoomNum; this->bathRoomNum = bathRoomNum; this->ShowHouse = ShowHouse; return;
} void _House(struct House *this)
{
} void main() { struct House myHouse; House(&myHouse, 2, 3, 2); /* 组合是一种低耦合,如果不初始化,子类只是存放了一个空指针来占位关联。
此处是与继承关系的区别。继承是一种强耦合,在继承关系中,无论如何子类拥有父类全部的信息。*/ struct Window myWindow1; myHouse.window = &myWindow1;
Window(myHouse.window, 100, 50); /* 通过获得其它对象的引用而在“运行时”动态定义 */ myHouse.ShowHouse(&myHouse);
myHouse.window->ShowWindow(myHouse.window);
_Window();
_House(); return;
}
组合和继承的区别有以下几点:
组合关系体现的是“has-a”。继承关系体现的是“is-a”。
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