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

实现一个ShapeClass类

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)  

    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);  

<span style="white-space:pre">      </span>return NULL;  

    _class->construct(obj, add_data);  

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)  

    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) \  

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。

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