C语言面向对象

Posted 2023-03-05

我们在编写程序时，通常采用以下步骤：

1. 将问题的解法分解成若干步骤
2. 使用函数分别实现这些步骤
3. 依次调用这些函数

这种编程风格的被称作面向过程。除了面向过程之外，还有一种被称作面向对象的编程风格被广泛使用。面向对象采用基于对象的概念建立模型，对现实世界进行模拟，从而完成对问题的解决。
C语言的语法并不直接支持面向对象风格的编程。但是，我们可以通过额外的代码，让C语言实现一些面向对象特性。在这一节当中，我们将探究什么是面向对象，以及怎样用C语言来实现它。
单纯理论上的讨论可能比较难以理解，为了能够让我们的讨论能够落地到实际中，我们选取学校为场景，展开对面向对象风格编程的讨论。
一般而言面向对象风格的编程具有以下3大特性：

• 封装
• 继承
• 多态

我们将以这3个特性为线索，讨论C语言如何面向对象编程。

封装

我们来看看学校里面最重要的主体是什么？是学生。学生肯定拥有很多属性，比如学生的学号、姓名、性别、考试分数等等。自然地，我们会声明一个结构体用于表示学生。

struct student 
  int id; // 学号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
  int mark; // 成绩
;

学生的学号由 入学年份 、 班级 、 序号 拼接构成。
例如，某一个同学的是 2022 年入学的 123 班的 26 号学生。那么，它的学号为 202212326 。
为了方便设置学号，我们有一个 makeStudentId 函数，参数为 入学年份 、 班级 、 序号 ，它将这些数据拼接成字符串，再将字符串转换为整型数据，最后将这个整型数据作为学生的 id 并返回。

int makeStudentId(int year, int classNum, int serialNum)

  char buffer[20];
  sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);
  int id = atoi(buffer);
  return id;

​​sprintf​​​和​​printf​​​函数类似，​​printf​​​函数会将占位符​​"%d%d%d"​​​替换为其后的参数，将结果打印到控制台上。而​​sprintf​​​不会将结果打印在控制台上，而是将结果存放在第一个参数​​buffer​​​所指示的字符数组当中。
函数​​​atoi​​​能将​​buffer​​​指示的字符串转换为整型并返回结果。
性别在结构体中存储为整型数值，​​​0​​​代表女生、​​1​​​代表男生。而显示时，我们希望​​0​​​显示为​​女​​​，​​1​​​显示为​​男​​​。因此，还需要有一对用于操作性别的函数。在函数命名中，使用​​numGender​​​代表使用整型表示的性别。​​strGender​​​代表使用字符串表示的性别。
我们将定义两个函数：
​​​numGenderToStrGender​​​表示，将整型表示的性别转换为字符串表示的性别。
​​​strGenderToNumGender​​表示，将字符串表示的性别转换为整型表示的性别。

const char* numGenderToStrGender(int numGender)

  if (numGender == 0)
  
    return "女";
  
  else if (numGender == 1)
  
    return "男";
  
  return "未知";

int strGenderToNumGender(const char* strGender)

  int numGender;
  if (strcmp("男", strGender) == 0)
  
    numGender = 1;
  
  else if (strcmp("女", strGender) == 0)
  
    numGender = 0;
  
  else
  
    numGender = -1;
  
  return numGender;

我们将使用以下方式，调用这个结构体和这3个函数。

int main()

  struct student stu;
  // 设置数值
  // 学号：202212326
  // 姓名：小明
  // 性别: 男
  // 成绩：98
  stu.id = makeStudentId(2022, 123, 26);
  strcpy(stu.name, "小明");
  stu.gender = strGenderToNumGender("男");
  stu.mark = 98;
  // 打印这些数值
  printf("学号:%d\\n", stu.id);
  printf("姓名:%s\\n", stu.name);
  const char* gender = numGenderToStrGender(stu.gender);
  printf("性别:%s\\n", gender);
  printf("分数:%d\\n", stu.mark);
  return 0;

现在，我们使用面向过程风格写了3个函数和一个结构体，并且调用了这些函数，将函数返回的结果赋值给了结构体。接下来，让我们以面向对象风格来重新审视这段代码。
在面向对象风格中，结构体被看做数据（data），而操作数据的函数称作方法（method）。目前函数和数据是分离的，函数并不直接操作数据，我们需要拿到函数返回的结果，再将其赋值给数据。面向对象风格编程的第一大特性——封装，它希望方法直接操作数据，并且将数据和方法结合在一起，它们构成一个整体。而这个整体被称作对象。
此外，还有一个方法命名上的规则。一般来说，获取数据的方法会被命名为​​​getXXX​​​，设置数据的方法会被命名为​​setXXX​​​。
我们对这3个函数做如下修改：

1. 将函数的第一个参数设置为​​struct student *​​​，让函数直接操作​​student​​结构体。
2. 修改函数名，获取数据的方法命名为​​getXXX​​​，设置数据的方法命名为​​setXXX​​。

void setStudentId(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum)

  char buffer[20];
  sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);
  int id = atoi(buffer);
  s->id = id;

const char* getGender(struct student* s)

  if (s->gender == 0)
  
    return "女";
  
  else if (s->gender == 1)
  
    return "男";
  
  return "未知";

void setGender(struct student* s, const char* strGender)

  int numGender;
  if (strcmp("男", strGender) == 0)
  
    numGender = 1;
  
  else if (strcmp("女", strGender) == 0)
  
    numGender = 0;
  
  else
  
    numGender = -1;
  
  s->gender = numGender;

现在，我们用修改后的函数，直接操作​​student​​结构。

int main()

  struct student stu;
  // 学号：202212326
  // 姓名：小明
  // 性别: 男
  // 分数：98
  setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);
  strcpy(stu.name, "小明");
  setGender(&stu, "男");
  stu.mark = 98;
  // 打印这些数值
  printf("学号:%d\\n", stu.id);
  printf("姓名:%s\\n", stu.name);
  const char* gender = getGender(&stu);
  printf("性别:%s\\n", gender);
  printf("分数:%d\\n", stu.mark);

目前，函数可以直接操作数据了。但是，函数和数据依然是两个独立的部分。我们要将函数和数据结合到一起，这样，这个整体就能被称作对象，函数可以称作属于这个对象的方法。
大多数面向对象语言都提供了以下的格式调用一个对象的方法。

对象.方法(对象指针，参数1，参数2， 参数3...)

接下来，我们举几个这种格式的例子：

stu.setGender(&stu, "男");

以上代码中，对象为​​stu​​​，方法为​​setGender​​。通过对象 + 点 + 方法的形式，可以调用属于对象​​stu​​​的​​setGender​​​方法。在方法的参数中传入性别​​男​​​。这样，方法会把性别​​男​​​转换为整形，并设置到对象​​stu​​的数据当中。

const char* gender = stu.getGender(&stu);

以上代码中，对象为​​stu​​​，方法为​​getGender​​。通过对象 + 点 + 方法的形式，可以调用属于对象​​stu​​​的​​getGender​​​方法。​​getGender​​​方法从对象数据中获取整形表示的性别，并返回性别对应的字符串。
在C语言中，若要实现对象 + 点 + 方法的形式，我们可以借助于函数指针。
在结构中，声明这3个函数的函数指针。

struct student 
  void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);
  const char* (*getGender)(struct student* s);
  void (*setGender)(struct student* s, const char* strGender);
  int id; // 学号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
  int mark; // 分数
;

为了让函数指针有正确的指向，我们需要通过一个​​initStudent​​函数，为结构体初始化。

void initStudent(struct student* s)

  s->setStudentId = setStudentId;
  s->getGender = getGender;
  s->setGender = setGender;

现在，我们可以使用对象 + 点 + 方法的形式，调用对象的方法了。

struct student stu;
// 初始化student
initStudent(&stu);
// 学号：202212326
// 姓名：小明
// 性别: 男
// 分数：98
stu.setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);
strcpy(stu.name, "小明");
stu.setGender(&stu, "男");
stu.mark = 98;
// 打印这些数值
printf("学号:%d\\n", stu.id);
printf("姓名:%s\\n", stu.name);
const char* gender = stu.getGender(&stu);
printf("性别:%s\\n", gender);
printf("分数:%d\\n", stu.mark);

这里有一个需要注意的地方，结构体声明后，结构体内的函数指针是无效的。必须先调用​​initStudent​​​函数，将其设置正确的指向，才能使用这些函数指针。否则，将有可能导致程序崩溃。
为了让方法修改或访问对象，方法的参数中必须要有对象的指针。实现的形式中，第一个参数就是被操作对象指针。其它语言中，被操作对象指针是隐式传递的。不需要你在传参时写明参数，它会自动传入函数。例如，C++中会自动将一个名为​​this​​的对象指针作为方法的参数。而C语言中，无法做到自动将对象的指针传入方法，所以我们需要手动写上需要操作的对象的指针。

// C++的写法
stu.setGender("男");

// C语言的写法
stu.setGender(&stu, "男");

继承

除了学生之外，学校里面还需要有老师，老师也具有很多属性。例如：

• 工号
• 姓名
• 性别
• 任课科目

声明一个结构体用于表示老师。

struct teacher 
  int id; // 工号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
  char subject[20]; // 任课科目
;

比较一下学生和老师的结构体，看看它们之间有什么共同之处与不同之处。

struct teacher 
  int id; // 工号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
  char subject[20]; // 任课科目
;
struct student 
  int id; // 学号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
  int mark; // 分数
;

共同之处如下：

• 编号
• 姓名
• 性别

不同之处：

• 学生有考试分数
• 老师有任课科目

我们可以把两个结构体中的共同之处抽象出来，让它共同之处成为一个新的结构。这个结构体具有老师和学生的共性，而老师与学生它们都是人，可以把这个结构体命名为​​person​​。

struct person 
  int id; // 编号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
;

接下来，我们可以让老师和学生结构包含这个​​person​​对象。

struct teacher 
  struct person super;
  char subject[20]; // 任课科目
;
struct student 
  struct person super;
  int mark; // 分数
;

让我们比较一下原有代码与现有代码。

原有代码：

// 原有代码
struct teacher 
  int id; // 工号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
  char subject[20]; // 任课科目
;
struct student 
  int id; // 学号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
  int mark; // 分数
;

现有代码

// 现有代码
struct person 
  int id; // 编号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
;
struct teacher 
  struct person super;
  char subject[20]; // 任课科目
;
struct student 
  struct person super;
  int mark; // 分数
;

原有代码中，老师和学生结构体中，均有​​id​​​、​​name​​​、​​gender​​​三个变量。现有代码中，将这3个变量抽象成结构体​​person​​。这样一来，有两个好处：

1. 减少重复代码
2. 代码层次更清晰

由于​​student​​​和​​teacher​​​拥有​​person​​​的一切，因此，我们可以说，​​student​​​与​​teacher​​均继承于​​person​​​。​​person​​​是​​student​​​与​​teacher​​的父对象。​​student​​​与​​teacher​​​是​​person​​的子对象。

刚刚我们只讨论了数据，现在我们结合上方法一起讨论。

struct person 
  int id; // 编号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
;
struct teacher 
  struct person super;
  char subject[20]; // 任课科目
;
struct student 
  struct person super;
  int mark; // 分数
  void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);
  const char* (*getGender)(struct student* s);
  void (*setGender)(struct student* s, const char* strGender);
;

之前我们为​​student​​写了3个方法

• 设置性别
• 获取性别
• 设置学号

其中，性别相关的方法也属于共性的方法。可以把这两个函数指针移动到​​person​​​对象里面去，注意，要把方法的第一个参数​​struct student *​​​修改为​​struct person *​​​。移动后，子对象​​student​​​与​​teacher​​​均可以使用这一对性别相关的方法。而设置学号的方法，为​​student​​​独有的方法，因此保持不变，依然将其放置在​​student​​对象内。

struct person 
  int id; // 编号
  char name[20]; // 姓名
  int gender; // 性别
  // 设置性别
  void (*setGender)(struct person* s, const char* strGender);
  // 获取性别
  const char* (*getGender)(struct person* s);
;
struct teacher 
  struct person super;
  char subject[20]; // 任课科目
;
struct student 
  struct person super;
  int mark; // 分数
  // 设置学号
  void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);
;

对应上面的更改，函数​​getGender​​​与​​setGender​​​的第一个参数也要由​​struct student *​​​修改为​​struct person *​​。

const char* getGender(struct person* p)

  if (p->gender == 0)
  
    return "女";
  
  else if (p->gender == 1)
  
    return "男";
  
  return "未知";

void setGender(struct person* p, const char* strGender)

  int numGender;
  if (strcmp("男", strGender) == 0)
  
    numGender = 1;
  
  else if (strcmp("女", strGender) == 0)
  
    numGender = 0;
  
  else
  
    numGender = -1;
  
  p->gender = numGender;

此外，​​setStudentId​​​函数中，​​id​​​成员，不在​​student​​​中，而是在​​student​​​中的​​person​​中。这里也要对应的修改一下。

void setStudentId(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum)

  char buffer[20];
  sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);
  int id = atoi(buffer);
  s->super.id = id; // 由s->id = id 修改为 s->super.id = id

还有，别忘了给结构初始化函数指针。

void initPerson(struct person* p)

  p->getGender = getGender;
  p->setGender = setGender;

void initStudent(struct student* s)

  initPerson(&(s->super));
  s->setStudentId = setStudentId;

void initTeacher(struct teacher* t)

  initPerson(&(t->super));

下面我们即可使用这些对象了。

struct student stu;
// 初始化student
initStudent(&stu);
// 学号：202212326
// 姓名：小明
// 性别: 男
// 分数：98
stu.setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);
strcpy(stu.super.name, "小明");
stu.super.setGender(&stu.super, "男");
stu.mark = 98;
// 打印这些数值
printf("学号:%d\\n", stu.super.id);
printf("姓名:%s\\n", stu.super.name);
const char* gender = stu.super.getGender(&stu.super);
printf("性别:%s\\n", gender);
printf("分数:%d\\n", stu.mark);
putchar(\\n);
struct teacher t;
// 初始化teacher
initTeacher(&t);
// 工号：12345
// 姓名：林老师
// 性别: 男
// 科目：C语言
t.super.id = 12345;
strcpy(t.super.name, "林老师");
t.super.setGender(&t.super, "男");
strcpy(t.subject, "C语言");
// 打印这些数值
printf("学号:%d\\n", t.super.id);
printf("姓名:%s\\n", t.super.name);
gender = t.super.getGender(&t.super);
printf("性别:%s\\n", gender);
printf("科目:%s\\n", t.subject);

多态

我们以绘制各种图形为背景，展开对多态这一特性的讨论。

绘制图形

现在，我们有3种图形，它们分别为：

• 矩形
• 圆形
• 三角形

我们把这3种图形均看做对象，这些图形对象，分别需要有哪些属性呢？

• 矩形：左上角坐标、右下角坐标
• 圆形：圆心x坐标、圆心y坐标、半径
• 三角形：三个顶点坐标

现在，我们用代码分别实现这几个对象。

struct Rect 
  int left;
  int top;
  int right;
  int bottom;
;
struct Circle 
  int x;
  int y;
  int r;
;
struct Triangle 
  POINT p1;
  POINT p2;
  POINT p3;
;

为了能够在屏幕上绘制这些图形，每个图形都设置一个名为​​draw​​的方法。

struct Rect 
  void (*draw)(struct Rect*);
  int left;
  int top;
  int right;
  int bottom;
;
struct Circle 
  void (*draw)(struct Circle*);
  int x;
  int y;
  int r;
;
struct Triangle 
  void (*draw)(struct Triangle*);
  POINT p1;
  POINT p2;
  POINT p3;
;

分别实现3个不同的绘制函数。

绘制矩形：

调用 easyx 中的 rectangle 函数，传入左上角坐标与右下角坐标。

void drawRect(struct Rect* r)

  rectangle(r->left, r->top, r->right, r->bottom);

绘制圆形：

调用 easyx 中的 circle 函数，传入圆心坐标与半径。

void drawCircle(struct Circle* c)

  circle(c->x, c->y, c->r);

绘制三角形:

调用 easyx 中的 line 函数，分别绘制点 p1 到 p2 的线段， p2 到 p3 的线段，以及 p3 到 p1 的线段。

void drawTriangle(struct Triangle* t)

  line(t->p1.x, t->p1.y, t->p2.x, t->p2.y);
  line(t->p2.x, t->p2.y, t->p3.x, t->p3.y);
  line(t->p3.x, t->p3.y, t->p1.x, t->p1.y);

下面，分别写3个初始化函数，用于给对象中的函数指针​​draw​​进行赋值。

void initRect(struct Rect* r)

  r->draw = drawRect;

void initCircle(struct Circle* r)

  r->draw = drawCircle;

void initTriangle(struct Triangle* r)

  r->draw = drawTriangle;

现在，准备工作都做好了，我们开始绘制这些图形吧。

int main()

  initgraph(800, 600);
  setaspectratio(1, -1);
  setorigin(400, 300);
  setbkcolor(WHITE);
  setlinecolor(BLACK);
  cleardevice();
  struct Rect r =  -200, 200, 200, 0 ;
  struct Circle c =  0, 0, 100 ;
  struct Triangle t =  0, 200, -200, 0, 200, 0 ;
  initRect(&r);
  initCircle(&c);
  initTriangle(&t);
  r.draw(&r);
  c.draw(&c);
  t.draw(&t);
  getchar();
  closegraph();
  return 0;

创建一个​​800 * 600​​​的绘图窗体，设置​​x​​​轴正方向为从左到右，​​y​​​轴正方向为从下到上。将原点坐标从窗体左上角更改为窗体中心。设置背景颜色为白色，描边颜色为黑色，并使用背景色刷新整个窗体。下面分别声明矩形、圆形、三角形三个对象，并将需要的属性初始化。之后，三个对象分别调用各自的​​init​​函数，为对象内的函数指针赋值。完成准备工作后，即可使用对象 + 点 + 方法的形式，调用各自的​​draw​​方法绘制图形了。

多态

struct Rect 
  void (*draw)(struct Rect*);
  int left;
  int top;
  int right;
  int bottom;
;
struct Circle 
  void (*draw)(struct Circle*);
  int x;
  int y;
  int r;
;
struct Triangle 
  void (*draw)(struct Triangle*);
  POINT p1;
  POINT p2;
  POINT p3;
;

我们仔细观察这3个对象，看看它们分别有什么共性？可以发现，这3个对象，它们都有一个​​draw​​​方法。那么，我们可以将​​draw​​​这个方法抽象出来，单独放置到一个对象当中。由于这三个对象都是形状。我们可以把单独抽象出来的对象，命名为​​shape​​​。​​shape​​​对象中的​​draw​​​方法，应当是一个共性的方法，所以，它的参数应当设置为​​struct Shape *​​。

struct Shape 
  void (*draw)(struct Shape*);
;

接下来，让​​Rect​​​、​​Circle​​​、​​Triangle​​​三个对象分别都包含​​Shape​​​对象。这样，它们就都能使用​​draw​​这个方法了。

struct Rect 
  struct Shape super;
  int left;
  int top;
  int right;
  int bottom;
;
struct Circle 
  struct Shape super;
  int x;
  int y;
  int r;
;
struct Triangle 
  struct Shape super;
  POINT p1;
  POINT p2;
  POINT p3;
;

这里有一个需要注意的地方，父对象与子对象的内存排布必须重合。

例如：下图中，上面的两个对象内存排布可以重合。而下面的两个对象的内存排布无法重合。

像下面一样的声明​​Rect​​是正确的。

// 正确
struct Rect 
  struct Shape super;
  int left;
  int top;
  int right;
  int bottom;
;

而下面一样的声明​​Rect​​是错误的。

// 错误
struct Rect 
  int left;
  int top;
  int right;
  int bottom;
  struct Shape super;
;

接着，我们需要修改各对象的初始化函数。将原有的​​r->draw​​​改为​​r->super.draw​​。

void initRect(struct Rect* r)

  r->super.draw = drawRect;

void initCircle(struct Circle* c)

  c->super.draw = drawCircle;

void initTriangle(struct Triangle* t)

  t->super.draw = drawTriangle;

注意，这里还有一个问题，函数内赋值运算符左边的函数指针​​r->super.draw​​​的类型为​​void (*)(struct Shape*)​​​，参数为​​struct Shape*​​。而赋值运算符右边的函数指针类型分别为：

void (*)(struct Rect*)
void (*)(struct Circle*)
void (*)(struct Triangle*)

函数指针参数类型不一致，无法进行赋值。我们可以把右边的函数指针强制类型转换为​​void (*)(struct Shape*)​​。

void initRect(struct Rect* r)

  r->super.draw = (void (*)(struct Shape*))drawRect;

void initCircle(struct Circle* c)

  c->super.draw = (void (*)(struct Shape*))drawCircle;

void initTriangle(struct Triangle* t)

  t->super.draw = (void (*)(struct Shape*))drawTriangle;

我们考虑一下怎样来使用这些对象。

struct Rect r =  , - 200, 200, 200, 0 ;
struct Circle c =  , 0, 0, 100 ;
struct Triangle t =  , 0, 200, -200, 0, 200, 0 ;

首先，声明​​Rect​​​、​​Circle​​​、​​Triangle​​​这3个对象，并使用初始化列表将其初始化。注意，由于它们的第一个成员为​​super​​​，所以，这里使用空列表​​​​​，将​​super​​成员初始化为零。

initRect(&r);
initCircle(&c);
initTriangle(&t);

让三个对象分别调用各自的初始化函数，给各自对象​​super​​​成员中的​​draw​​设置为各自对应的绘图函数。

• ​​r.super.draw​​​设置为​​drawRect​​
• ​​c.super.draw​​​设置为​​drawCircle​​
• ​​t.super.draw​​​设置为​​drawRTriangle​​

struct Shape* arrShape[3] = 
(struct Shape*)&r, (struct Shape*)&c, (struct Shape*)&t ;

声明一个元素类型为​​struct Shape *​​​的数组，元素个数为3。分别用​​r​​​的指针，​​c​​​的指针，​​t​​的指针初始化。注意，这里也需要进行强制类型转换，否则初始化列表里面的指针类型和数组元素的指针类型不一致。

for (int i = 0; i < 3; i++)

  arrShape[i]->draw(arrShape[i]);

到了关键的一步，使用循环，依次调用​​draw​​​函数。由于3次循环中的​​draw​​​函数分别为各个图形各自的绘图函数。所以，虽然统一调用的是​​draw​​，但是，却可以执行它们各自的绘图函数。至此，不同实现的方法，在此得到统一。

总结实现多态的步骤

1. 抽离出各个对象中共有的方法​​draw​​​，将其单独放置在一个对象​​Shape​​内。
2. 各个对象均继承于​​Shape​​对象。
3. 将各个子对象中的​​draw​​方法，设置为各自的实现方法。
4. 声明一个​​Shape​​对象的指针，并将其赋值为一个子对象的指针。
5. 通过上述对象指针，调用方法共有方法​​draw​​，执行的是第三步中设置的方法。