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• 参考
• 摘要
• 为什么要用面向对象？
• 为什么不直接使用C++？
• LW_OOPC是什么？
• LW_OOPC宏介绍
• LW_OOPC最佳实践
• LW_OOPC的优点
• LW_OOPC的缺点

参考

轻量级的面向对象C语言编程框架LW_OOPC介绍 作者： 金永华、陈国栋

摘要

本文介绍一种轻量级的面向对象的C语言编程框架：LW_OOPC。LW_OOPC是Light-Weight Object-Oriented Programming in(with) C的缩写，总共一个.h文件，20个宏，约130行代码，非常的轻量级，但却很好的支持了很多面向对象的特性，比如继承、多态，可以优美的实现面向接口编程。这个框架系由台湾的高焕堂先生以及他的MISOO团队首创，之后由我继续改进优化，最后，经高焕堂同意以LGPL协议开源（开源网址参见后文）。 用C语言实现OO？我没听错吗？这听起来真是太疯狂了！… 大家都知道，C++支持了面向对象和面向泛型编程，比C要更强大些。那么，为什么要在C语言中实践面向对象呢？为什么不直接使用C++呢？

为什么要用面向对象？

面向过程方式开发的系统，代码复杂，耦合性强，难以维护，随着我们所要解决的问题越来越复杂，代码也变得越来越复杂，越来越难以掌控，而面向对象改变了程序员的思维方式，以更加符合客观世界的方式来认识世界，通过合理的运用抽象、封装、继承和多态，更好的组织程序，从而很好地应对这种复杂性。

为什么不直接使用C++？

C和C++之争由来已久，可能要持续到它们中的一种去世_。C语言以其简洁明快，功能强大的特点，深得开发人员的喜爱，尤其是在嵌入式开发领域，C语言更是占据了绝对老大的地位。在我看来，语言只是工具，作为程序员，我们要做的是：选择合适的语言，解决恰当的问题。我们要尊重事实，考虑开发环境（软硬件环境），考虑团队成员的水平，从商用工程的角度讲，选择团队成员擅长的语言进行开发，风险要小很多。 一些从Java/C#转到C的程序员们，无法从面向对象切换到面向过程，但又必须与C语言同事们在遗留的C系统上开发软件，他们有时会非常困惑：C语言是面向过程的编程语言，如何实践面向对象，甚至面向接口编程呢？此时，就非常需要在C语言中实现面向对象的手段，而LW_OOPC正是应对这一难题的解决之道。

LW_OOPC是什么？

简而言之：LW_OOPC是一套C语言的宏，总共1个.h文件（如果需要内存泄漏检测支持以及调试打印支持，那么还需要1个.c文件（lw_oopc.c，约145行）），20个宏，约130行代码。LW_OOPC是一种C语言编程框架，用于支持在C语言中进行面向对象编程。

LW_OOPC宏介绍

下面，先通过一个简单的示例来展示LW_OOPC这套宏的使用方法。我们要创建这样一些对象：动物（Animal），鱼（Fish），狗（Dog），车子（Car）。显然，鱼和狗都属于动物，都会动，车子也会动，但是车子不是动物。会动是这些对象的共同特征，但是，显然它们不属于一个家族。因此，我们首先考虑抽象出一个接口（IMoveable），以描述会动这一行为特征：

INTERFACE(IMoveable) { void (*move)(IMoveable* t); // Move行为 };

• INTERFACE宏用于定义接口，其成员（方法）均是函数指针类型。

然后，我们分析Animal，它应该是抽象类还是接口呢？动物都会吃，都需要呼吸，如果仅仅考虑这两个特征，显然可以把Animal定为接口。不过，这里，为了展示抽象类在LW_OOPC中如何应用。我们让Animal拥有昵称和年龄属性，并且，让动物和我们打招呼（sayHello方法)，但，我们不允许用户直接创建Animal对象，所以，这里把Animal定为抽象类：

ABS_CLASS(Animal) { char name[128]; // 动物的昵称(假设小于128个字符) int age; // 动物的年龄 void (*setName)(Animal* t, const char* name); // 设置动物的昵称 void (*setAge)(Animal* t, int age); // 设置动物的年龄 void (*sayHello)(Animal* t); // 动物打招呼 void (*eat)(Animal* t); // 动物都会吃（抽象方法，由子类实现） void (*breathe)(Animal* t); // 动物都会呼吸（抽象方法，由子类实现） void (*init)(Animal* t, const char* name, int age); // 初始化昵称和年龄 };

• ABS_CLASS宏用于定义抽象类，允许有成员属性。代码的含义参见代码注释。 紧接着，我们来定义Fish和Dog类，它们都继承动物，然后还实现了IMoveable接口：

  CLASS(Fish) { EXTENDS(Animal); // 继承Animal抽象类 IMPLEMENTS(IMoveable); // 实现IMoveable接口 void (*init)(Fish* t, const char* name, int age); }; CLASS(Dog) { EXTENDS(Animal); // 继承Animal抽象类 IMPLEMENTS(IMoveable); // 实现IMoveable接口 void(*init)(Dog* t, const char* name, int age); };

为了让Fish对象或Dog对象在创建之后，能够很方便地初始化昵称和年龄，Fish和Dog类均提供了init方法。 下面，我们来定义Car，车子不是动物，但可以Move，因此，让Car实现IMoveable 接口即可：

CLASS(Car) { IMPLEMENTS(IMoveable); // 实现IMoveable接口（车子不是动物，但可以Move） };

接口，抽象类，具体类的定义都已经完成了。下面，我们开始实现它们。接口是不需要实现的，所以IMoveable没有对应的实现代码。Animal是抽象动物接口，是半成品，所以需要提供半成品的实现：

/* 设置动物的昵称*/ void Animal_setName(Animal* t, const char* name) { // 这里假定name不会超过128个字符，为简化示例代码，不做保护（产品代码中不要这样写） strcpy(t->name, name); } /* 设置动物的年龄*/ void Animal_setAge(Animal* t, int age) { t->age = age; } /* 动物和我们打招呼*/ void Animal_sayHello(Animal* t) { printf("Hello! 我是%s，今年%d岁了！\\n", t->name, t->age); } /* 初始化动物的昵称和年龄*/ void Animal_init(Animal* t, const char* name, int age) { t->setName(t, name); t->setAge(t, age); } ABS_CTOR(Animal) FUNCTION_SETTING(setName, Animal_setName); FUNCTION_SETTING(setAge, Animal_setAge); FUNCTION_SETTING(sayHello, Animal_sayHello); FUNCTION_SETTING(init, Animal_init); END_ABS_CTOR

• ABS_CTOR表示抽象类的定义开始，ABS_CTOR(Animal)的含义是Animal抽象类的“构造函数”开始。在C语言里边其实是没有C++中的构造函数的概念的。LW_OOPC中的CTOR系列宏（CTOR/END_CTOR，ABS_CTOR/END_ABS_CTOR）除了给对象（在C语言中是struct实例）分配内存，然后，紧接着要为结构体中的函数指针成员赋值，这一过程，也可以称为函数绑定（有点类似C++中的动态联编）。
• 函数绑定的过程由FUNCTION_SETTING宏来完成。

对于Fish和Dog类的实现，与Animal基本上是类似的，除了将ABS_CTOR换成了CTOR，直接参见代码：

/* 鱼的吃行为 */ void Fish_eat(Animal* t) { printf("鱼吃水草！\\n"); } /* 鱼的呼吸行为 */ void Fish_breathe(Animal* t) { printf("鱼用鳃呼吸！\\n"); } /* 鱼的移动行为 */ void Fish_move(IMoveable* t) { printf("鱼在水里游！\\n"); } /* 初始化鱼的昵称和年龄 */ void Fish_init(Fish* t, const char* name, int age) { Animal* animal = SUPER_PTR(t, Animal); animal->setName(animal, name); animal->setAge(animal, age); } CTOR(Fish) SUPER_CTOR(Animal); FUNCTION_SETTING(Animal.eat, Fish_eat); FUNCTION_SETTING(Animal.breathe, Fish_breathe); FUNCTION_SETTING(IMoveable.move, Fish_move); FUNCTION_SETTING(init, Fish_init); END_CTOR

上面是Fish的实现，下面看Dog的实现：

/* 狗的吃行为 */ void Dog_eat(Animal* t) { printf("狗吃骨头！\\n"); } /* 狗的呼吸行为 */ void Dog_breathe(Animal* t) { printf("狗用肺呼吸！\\n"); } /* 狗的移动行为 */ void Dog_move(IMoveable* t) { printf("狗在地上跑！\\n"); } /* 初始化狗的昵称和年龄 */ void Dog_init(Dog* t, const char* name, int age) { Animal* animal = SUPER_PTR(t, Animal); animal->setName(animal, name); animal->setAge(animal, age); } CTOR(Dog) SUPER_CTOR(Animal); FUNCTION_SETTING(Animal.eat, Dog_eat); FUNCTION_SETTING(Animal.breathe, Dog_breathe); FUNCTION_SETTING(IMoveable.move, Dog_move); FUNCTION_SETTING(init, Dog_init); END_CTOR

• SUPER_CTOR这个宏是提供给子类用的，用于调用其直接父类的构造函数（类似Java语言中的super()调用，在这里，其实质是要先调用父类的函数绑定过程，再调用自身的函数绑定过程），类似Java那样，SUPER_CTOR如果要出现，需要是ABS_CTOR或者CTOR下面紧跟的第一条语句。

最后，我们把Car类也实现了：

void Car_move(IMoveable* t) { printf("汽车在开动！\\n"); } CTOR(Car) FUNCTION_SETTING(IMoveable.move, Car_move); END_CTOR

下面，我们实现main方法，以展示LW_OOPC的威力：

#include "animal.h" int main() { Fish* fish = Fish_new(); // 创建鱼对象 Dog* dog = Dog_new(); // 创建狗对象 Car* car = Car_new(); // 创建车子对象 Animal* animals[2] = { 0 }; // 初始化动物容器（这里是Animal指针数组) IMoveable* moveObjs[3] = { 0 }; // 初始化可移动物体容器（这里是IMoveable指针数组) int i = 0; // i和j是循环变量 int j = 0; // 初始化鱼对象的昵称为：小鲤鱼，年龄为：1岁 fish->init(fish, "小鲤鱼", 1); // 将fish指针转型为Animal类型指针，并赋值给animals数组的第一个成员 animals[0] = SUPER_PTR(fish, Animal); // 初始化狗对象的昵称为：牧羊犬，年龄为：2岁 dog->init(dog, "牧羊犬", 2); // 将dog指针转型为Animal类型指针，并赋值给animals数组的第二个成员 animals[1] = SUPER_PTR(dog, Animal); // 将fish指针转型为IMoveable接口类型指针，并赋值给moveOjbs数组的第一个成员 moveObjs[0] = SUPER_PTR(fish, IMoveable); // 将dog指针转型为IMoveable接口类型指针，并赋值给moveOjbs数组的第二个成员 moveObjs[1] = SUPER_PTR(dog, IMoveable); // 将car指针转型为IMoveable接口类型指针，并赋值给moveOjbs数组的第三个成员 moveObjs[2] = SUPER_PTR(car, IMoveable); // 循环打印动物容器内的动物信 for(i=0; i<2; i++) { Animal* animal = animals[i]; animal->eat(animal); animal->breathe(animal); animal->sayHello(animal); } // 循环打印可移动物体容器内的可移动物体移动方式的信 for(j=0; j<3; j++) { IMoveable* moveObj = moveObjs[j]; moveObj->move(moveObj); } lw_oopc_delete(fish); lw_oopc_delete(dog); lw_oopc_delete(car); return 0; }

从上边的代码中，我们惊喜地发现，在C语言中，借助LW_OOPC，我们实现了将不同的动物（Fish和Dog对象）装入Animal容器，然后可以用完全相同的方式调用Animal的方法（比如eat和breathe方法），而实际调用的是具体的实现类（Fish和Dog）的对应方法。这正是面向对象中的多态的概念。同样，我们可以将Fish对象，Dog对象，以及Car对象均视为可移动物体，均装入IMoveable容器，然后用完全相同的方式调用IMoveable接口的move方法。看到了吗？借助LW_OOPC，在C语言下我们竟然可以轻松地实现面向对象和面向接口编程！

LW_OOPC最佳实践

说得简单一点，要想使用好LW_OOPC这套宏，还得首先懂面向对象，要遵循面向对象设计的那些大原则，比如开闭原则等。在C语言中使用面向对象，根据实际使用的情况，给出如下建议： 1）继承层次不宜过深，建议最多三层（接口、抽象类、具体类，参见图 1和图 2） 继承层次过深，在Java/C#/C++中均不推崇，在C语言中实践面向对象的时候，尤其要遵循这一点，只有这样，代码才能简单清爽。 2）尽量避免多重继承 尽可能使用单线继承，但可实现多个接口（与Java中的单根继承类似）。 3）尽量避免具体类继承具体类 具体类继承具体类，不符合抽象的原则，要尽量避免。 4）各继承层次分别维护好自己的数据 子类尽量不要直接访问祖先类的数据，如果确实需要访问，应当通过祖先类提供的函数，以函数调用的方式间接访问。

LW_OOPC的优点

1） 轻量级 2）广泛的适应性，能够适应各种平台，各种编译器（能支持C的地方，基本上都能支持） 3）帮助懂OO的Java/C++程序员写出面向对象的C程序。 4）使用C，也能引入OO的设计思想和方法，在团队的C/C++分歧严重时可能非常有用。

LW_OOPC的缺点

1） 无法支持重载（C语言不支持所致） 2）不完全的封装（无法区分私有、保护和公有） LW_OOPC的INTERFACE/ABS_CLASS/CLASS三个宏展开后都是C语言的struct，其成员全是公有的，宏本身并无能力提供良好地封装层次的支持，所以，只能从编程规范和编程风格上进行引导。 3）不支持RTTI 既然不支持RTTI，那么显然也无法支持安全的向下转型（C++中的dynamic_cast的转型功能） 4）不支持拷贝构造以及赋值语义 5）转换成接口的表述有点麻烦，表达形式相比C++要啰嗦很多。 6）有学习成本，需要用户学习并习惯这套宏 前四条缺点，实质上并非是LW_OOPC的缺点，而是C相对C++而言的缺点，在这里，之所以也一并列上，是希望用户不要对LW_OOPC抱太高的期望，毕竟它也只是一套C语言的宏而已，C语言有的缺点，LW_OOPC并不能够解决。

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