纯C语言实现简单继承机制

Posted 2020-06-14 smstong

0 继承是OO设计的基础

继承是OO设计中的基本部分，也是实现多态的基础，C++，C#，Objective-C，Java，php，javascript等为OO而设计的语言，其语言本身对实现继承提供了直接支持。而遵循C/Unix设计哲学的语言，从不限定编程风格，而且提供了实现OO的基本支持。下面我们就来看看如何用C语言实现继承。

1 内存布局层面上继承的含义

如今几乎所有程序员都知道继承的抽象含义，对于被用烂了的猫狗继承动物的例子也耳熟能详。在此，我们抛开抽象世界，深入到继承的具体实现上。当然不同的语言对继承的实现机制并不完全相同，但是了解其中一种典型的实现细节对于理解继承是非常有好处的。这里我们以C++为例进行说明。

class B
{
    int x;
    int y;
    int z;
};
class C : B
{
    float f;
    char s[10];
};

上述代码表示子类C继承了父类B，下面是类C的一个实例（对象）的内存布局。

C对象有两部分组成，红色区域是继承自B的部分，蓝色区域是自身特有的。这样一来，红色部分完全可以当成是一个B类对象。

2 利用结构体实现继承的两种方法

2.1 父类对象作为子类的成员

理解了继承的内存布局原理之后，用C来实现继承就非常容易了。最容易想到的方法如下：

struct B
{
    int x;
    int y;
    int z;
};

struct C
{
    struct B objB;
    float f;
    char s[10];
};

上述代码通过在C中包含一个B类型的成员来实现继承，此方法非常直接，但使用起来有一些不太方便。

    struct C objC;
    objC.objB.x = 10;
    ((struct B*)&objC)->x = 10;

要想访问父类的成员x，有两种方法，一种是objC.objB.x；另一种是((struct B*)&objC)->x = 10。这两种方式都看起来不够直接。而在子类方法中访问父类成员是非常频繁的。

void c_member_method(struct C* pObjC)
{
    pObjC->objB.x = 20; /* 访问父类成员 */
    pObjC->f = 0.23f; /* 访问自身成员 */
}

第一种方法，感觉更像是OB风格，而不是OO。
第二种方法，必须进行强制类型转换，感觉语法上不够美观。

2.2 子类包含所有的父类成员

struct C
{
    int x;
    int y;
    int z;

    float f;
    char s[10];
};

把所有的父类成员原样作为子类的成员。这样子类对象访问继承来的成员就非常直接了。

void c_member_method(struct C* pObjC)
{
    pObjC->x = 20; /* 访问父类成员 */
    pObjC->f = 0.23f; /* 访问自身成员 */
}

void main()
{
    struct C objC;
    objC.x = 10;
}

看起来很好，实际上在工程上会存在一个很大的问题：难以维护！例如，每当创建一个子类，必须原样书写所有的父类成员，当父类定义变动时，子类需要做出同样的修改。一旦父类稍具规模，维护这种继承关系将是一场噩梦！

那么如何解决的？
方法是现成的，那就是利用C语言的预处理宏定义#define. 如下所示：

#define B_STRUCT \
    int x;     int y;     int z

struct B
{
    B_STRUCT;
};

struct C
{
    B_STRUCT;
    float f;
    char s[10];
};

当继承层级更深时，例如 C继承B，D继承C，可以照搬此方法。

#define B_STRUCT \
    int x;     int y;     int z

struct B
{
    B_STRUCT;
};

#define C_STRUCT \
    B_STRUCT;     float f;     char s[10]

struct C
{
    C_STRUCT;
};

#define D_STRUCT \
    C_STRUCT;     double d

struct D
{
    D_STRUCT;
};

通过宏定义，可以很容易实现和维护这种继承关系。

3 一点思考

OO思想已经在软件设计上占据了统治地位，直接支持OO的编程语言铺天盖地，但是OO就没有缺陷吗？如何在自己的项目中适量适度使用OO？