C语言中的面向对象

什么是一组漂亮的预处理器黑客（ANSI C89/ISO C90兼容），能够在C中实现某种丑陋（但可用）的对象定向

我熟悉一些不同的面向对象语言，所以请不要回答“学习C++”这样的答案。我读过“”（注意：PDF格式）和其他一些有趣的解决方案，但我最感兴趣的是你的：-）

---

---

另请参见

我曾经使用过一个C库，它的实现方式让我觉得非常优雅。他们在C中编写了一种定义对象的方法，然后继承它们，使它们作为C++对象可扩展。其基本思想是：

struct vehicle {
   int power;
   int weight;
}

• 每个对象都有自己的文件
• 公共函数和变量在对象的.h文件中定义
• 私有变量和函数仅位于.c文件中
• 要“继承”，将创建一个新结构，该结构的第一个成员是要从中继承的对象

继承很难描述，但基本上是这样的：

struct vehicle {
   int power;
   int weight;
}

然后在另一个文件中：

struct van {
   struct vehicle base;
   int cubic_size;
}

然后，您可以在内存中创建一辆面包车，并由只了解车辆的代码使用：

struct van my_van;
struct vehicle *something = &my_van;
vehicle_function( something );

---

它工作得很好，.h文件精确地定义了您应该能够对每个对象执行的操作。

（用于视频处理的工具包）是用纯C（和汇编语言）编写的，但使用的是面向对象的风格。它充满了带函数指针的结构。有一组工厂函数使用适当的“方法”指针初始化结构

如果将对象上调用的方法视为静态方法，将一个隐式“

this

”传递到函数中，则可以更轻松地在C中思考OO

例如：

String s = "hi";
System.out.println(s.length());

变成：

string s = "hi";
printf(length(s)); // pass in s, as an implicit this

---

或者类似的东西。

GNOME desktop for Linux是用面向对象的C编写的，它有一个名为“”的对象模型，它支持属性、继承、多态性，以及一些其他功能，如引用、事件处理（称为“信号”）、运行时类型、私有数据等

它包括一些预处理器的黑客操作，比如在类层次结构中进行类型转换，等等。下面是我为GNOME编写的一个示例类（比如gchar就是typedef）：

---

在GObject结构中有一个GType整数，它被用作GLib的动态类型系统的一个神奇数字（你可以将整个结构转换为“GType”来找到它的类型）。

我建议不要使用预处理器（ab）来尝试使C语法更像另一种更面向对象的语言。在最基本的级别上，您只需使用普通结构作为对象，并通过指针传递它们：

struct monkey
{
    float age;
    bool is_male;
    int happiness;
};

void monkey_dance(struct monkey *monkey)
{
    /* do a little dance */
}

要获得像继承和多态性这样的东西，您必须更加努力。您可以通过将结构的第一个成员作为超类的实例来执行手动继承，然后可以自由转换指向基类和派生类的指针：

struct base
{
    /* base class members */
};

struct derived
{
    struct base super;
    /* derived class members */
};

struct derived d;
struct base *base_ptr = (struct base *)&d;  // upcast
struct derived *derived_ptr = (struct derived *)base_ptr;  // downcast

要获取多态性（即虚拟函数），可以使用函数指针和可选的函数指针表，也称为虚拟表或vtables：

struct base;
struct base_vtable
{
    void (*dance)(struct base *);
    void (*jump)(struct base *, int how_high);
};

struct base
{
    struct base_vtable *vtable;
    /* base members */
};

void base_dance(struct base *b)
{
    b->vtable->dance(b);
}

void base_jump(struct base *b, int how_high)
{
    b->vtable->jump(b, how_high);
}

struct derived1
{
    struct base super;
    /* derived1 members */
};

void derived1_dance(struct derived1 *d)
{
    /* implementation of derived1's dance function */
}

void derived1_jump(struct derived1 *d, int how_high)
{
    /* implementation of derived 1's jump function */
}

/* global vtable for derived1 */
struct base_vtable derived1_vtable =
{
    &derived1_dance, /* you might get a warning here about incompatible pointer types */
    &derived1_jump   /* you can ignore it, or perform a cast to get rid of it */
};

void derived1_init(struct derived1 *d)
{
    d->super.vtable = &derived1_vtable;
    /* init base members d->super.foo */
    /* init derived1 members d->foo */
}

struct derived2
{
    struct base super;
    /* derived2 members */
};

void derived2_dance(struct derived2 *d)
{
    /* implementation of derived2's dance function */
}

void derived2_jump(struct derived2 *d, int how_high)
{
    /* implementation of derived2's jump function */
}

struct base_vtable derived2_vtable =
{
   &derived2_dance,
   &derived2_jump
};

void derived2_init(struct derived2 *d)
{
    d->super.vtable = &derived2_vtable;
    /* init base members d->super.foo */
    /* init derived1 members d->foo */
}

int main(void)
{
    /* OK!  We're done with our declarations, now we can finally do some
       polymorphism in C */
    struct derived1 d1;
    derived1_init(&d1);

    struct derived2 d2;
    derived2_init(&d2);

    struct base *b1_ptr = (struct base *)&d1;
    struct base *b2_ptr = (struct base *)&d2;

    base_dance(b1_ptr);  /* calls derived1_dance */
    base_dance(b2_ptr);  /* calls derived2_dance */

    base_jump(b1_ptr, 42);  /* calls derived1_jump */
    base_jump(b2_ptr, 42);  /* calls derived2_jump */

    return 0;
}

这就是C语言中多态性的实现方式。它并不漂亮，但它确实起到了作用。基类和派生类之间的指针强制转换存在一些棘手的问题，只要基类是派生类的第一个成员，这是安全的。多重继承要困难得多——在这种情况下，为了在基类之间（而不是第一个基类之间）进行区分，您需要根据适当的偏移量手动调整指针，这非常棘手而且容易出错

---

您可以做的另一件（棘手的）事情是在运行时更改对象的动态类型！您只需重新分配一个新的vtable指针。您甚至可以有选择地更改某些虚拟函数，同时保留其他函数，从而创建新的混合类型。只需小心创建一个新的vtable，而不是修改全局vtable，否则您会意外地影响给定类型的所有对象。

在我知道OOP是什么之前，我曾经在C中做过这种事情

下面是一个示例，它实现了一个数据缓冲区，该缓冲区在给定最小大小、增量和最大大小的情况下根据需要增长。这个特定的实现是基于“元素”的，也就是说，它被设计为允许任何C类型的类似列表的集合，而不仅仅是一个可变长度的字节缓冲区

其思想是使用xxx_crt（）实例化对象，并使用xxx_dlt（）删除对象。每个“成员”方法都使用一个特定类型的指针进行操作

我以这种方式实现了一个链表、循环缓冲区和许多其他东西

我必须承认，我从未想过如何用这种方法实现继承。我想基维利所提供的一些混合可能是一条不错的道路

dtb.c：

#include <limits.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

static void dtb_xlt(void *dst, const void *src, vint len, const byte *tbl);

DTABUF *dtb_crt(vint minsiz,vint incsiz,vint maxsiz) {
    DTABUF          *dbp;

    if(!minsiz) { return NULL; }
    if(!incsiz)                  { incsiz=minsiz;        }
    if(!maxsiz || maxsiz<minsiz) { maxsiz=minsiz;        }
    if(minsiz+incsiz>maxsiz)     { incsiz=maxsiz-minsiz; }
    if((dbp=(DTABUF*)malloc(sizeof(*dbp))) == NULL) { return NULL; }
    memset(dbp,0,sizeof(*dbp));
    dbp->min=minsiz;
    dbp->inc=incsiz;
    dbp->max=maxsiz;
    dbp->siz=minsiz;
    dbp->cur=0;
    if((dbp->dta=(byte*)malloc((vuns)minsiz)) == NULL) { free(dbp); return NULL; }
    return dbp;
    }

DTABUF *dtb_dlt(DTABUF *dbp) {
    if(dbp) {
        free(dbp->dta);
        free(dbp);
        }
    return NULL;
    }

vint dtb_adddta(DTABUF *dbp,const byte *xlt256,const void *dtaptr,vint dtalen) {
    if(!dbp) { errno=EINVAL; return -1; }
    if(dtalen==-1) { dtalen=(vint)strlen((byte*)dtaptr); }
    if((dbp->cur + dtalen) > dbp->siz) {
        void        *newdta;
        vint        newsiz;

        if((dbp->siz+dbp->inc)>=(dbp->cur+dtalen)) { newsiz=dbp->siz+dbp->inc; }
        else                                       { newsiz=dbp->cur+dtalen;   }
        if(newsiz>dbp->max) { errno=ETRUNC; return -1; }
        if((newdta=realloc(dbp->dta,(vuns)newsiz))==NULL) { return -1; }
        dbp->dta=newdta; dbp->siz=newsiz;
        }
    if(dtalen) {
        if(xlt256) { dtb_xlt(((byte*)dbp->dta+dbp->cur),dtaptr,dtalen,xlt256); }
        else       { memcpy(((byte*)dbp->dta+dbp->cur),dtaptr,(vuns)dtalen);   }
        dbp->cur+=dtalen;
        }
    return 0;
    }

static void dtb_xlt(void *dst,const void *src,vint len,const byte *tbl) {
    byte            *sp,*dp;

    for(sp=(byte*)src,dp=(byte*)dst; len; len--,sp++,dp++) { *dp=tbl[*sp]; }
    }

vint dtb_addtxt(DTABUF *dbp,const byte *xlt256,const byte *format,...) {
    byte            textÝ501¨;
    va_list         ap;
    vint            len;

    va_start(ap,format); len=sprintf_len(format,ap)-1; va_end(ap);
    if(len<0 || len>=sizeof(text)) { sprintf_safe(text,sizeof(text),"STRTOOLNG: %s",format); len=(int)strlen(text); }
    else                           { va_start(ap,format); vsprintf(text,format,ap); va_end(ap);                     }
    return dtb_adddta(dbp,xlt256,text,len);
    }

vint dtb_rmvdta(DTABUF *dbp,vint len) {
    if(!dbp) { errno=EINVAL; return -1; }
    if(len > dbp->cur) { len=dbp->cur; }
    dbp->cur-=len;
    return 0;
    }

vint dtb_reset(DTABUF *dbp) {
    if(!dbp) { errno=EINVAL; return -1; }
    dbp->cur=0;
    if(dbp->siz > dbp->min) {
        byte *newdta;
        if((newdta=(byte*)realloc(dbp->dta,(vuns)dbp->min))==NULL) {
            free(dbp->dta); dbp->dta=null; dbp->siz=0;
            return -1;
            }
        dbp->dta=newdta; dbp->siz=dbp->min;
        }
    return 0;
    }

void *dtb_elmptr(DTABUF *dbp,vint elmidx,vint elmlen) {
    if(!elmlen || (elmidx*elmlen)>=dbp->cur) { return NULL; }
    return ((byte*)dbp->dta+(elmidx*elmlen));
    }

---

PS:vint只是int的一个typedef-我用它来提醒我，它的长度随平台的不同而变化（用于移植）。

对于我来说，C中的面向对象应该具有以下特性：

封装和数据隐藏（可以使用结构/不透明指针实现）

继承和对多态性的支持（可以使用结构实现单个继承-确保抽象基不可实例化）

构造函数和析构函数功能（不容易实现）

类型检查（至少针对用户定义的类型，因为C不强制任何类型）

引用计数（或要实现的东西）

对异常处理的支持有限（setjmp和longjmp）

除此之外，它应该依赖于ANSI/ISO规范，而不应该依赖于特定于编译器的功能。

听起来很有希望（它仍然是alpha版本）。为了简单和灵活，它试图将可用的概念保持在最低限度：统一的面向对象编程，包括开放类、元

#include "triangle.h"
#include "rectangle.h"
#include "polygon.h"

#include <stdio.h>

int main()
{
    Triangle tr1= CTriangle->new();
    Rectangle rc1= CRectangle->new();

    tr1->width= rc1->width= 3.2;
    tr1->height= rc1->height= 4.1;

    CPolygon->printArea((Polygon)tr1);

    printf("\n");

    CPolygon->printArea((Polygon)rc1);
}

6.56
13.12

typedef void *Class;

typedef struct __class_Foo
{
    Class isa;
    int ivar;
} Foo;

typedef struct __meta_Foo
{
    Foo *(*alloc)(void);
    Foo *(*init)(Foo *self);
    int (*ivar)(Foo *self);
    void (*setIvar)(Foo *self);
} meta_Foo;

meta_Foo *class_Foo;

void __meta_Foo_init(void) __attribute__((constructor));
void __meta_Foo_init(void)
{
    class_Foo = malloc(sizeof(meta_Foo));
    if (class_Foo)
    {
        class_Foo = {__imp_Foo_alloc, __imp_Foo_init, __imp_Foo_ivar, __imp_Foo_setIvar};
    }
}

Foo *__imp_Foo_alloc(void)
{
    Foo *foo = malloc(sizeof(Foo));
    if (foo)
    {
        memset(foo, 0, sizeof(Foo));
        foo->isa = class_Foo;
    }
    return foo;
}

Foo *__imp_Foo_init(Foo *self)
{
    if (self)
    {
        self->ivar = 42;
    }
    return self;
}
// ...

int main(void)
{
    Foo *foo = (class_Foo->init)((class_Foo->alloc)());
    printf("%d\n", (foo->isa->ivar)(foo)); // 42
    foo->isa->setIvar(foo, 60);
    printf("%d\n", (foo->isa->ivar)(foo)); // 60
    free(foo);
}

@interface Foo : NSObject
{
    int ivar;
}
- (int)ivar;
- (void)setIvar:(int)ivar;
@end

@implementation Foo
- (id)init
{
    if (self = [super init])
    {
        ivar = 42;
    }
    return self;
}
@end

int main(void)
{
    Foo *foo = [[Foo alloc] init];
    printf("%d\n", [foo ivar]);
    [foo setIvar:60];
    printf("%d\n", [foo ivar]);
    [foo release];
}

GHastTable* my_hash = g_hash_table_new(g_str_hash, g_str_equal);
int size = g_hash_table_size(my_hash);
...

g_hash_table_remove(my_hash, some_key);

//monkey.h

    struct _monkey;

    typedef struct _monkey monkey;

    //memory management
    monkey * monkey_new();
    int monkey_delete(monkey *thisobj);
    //methods
    void monkey_dance(monkey *thisobj);

/*
 * OOP in C
 *
 * gcc -o oop oop.c
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

struct obj2d {
    float x;                            // object center x
    float y;                            // object center y
    float (* area)(void *);
};

#define X(obj)          (obj)->b1.x
#define Y(obj)          (obj)->b1.y
#define AREA(obj)       (obj)->b1.area(obj)

void *
_new_obj2d(int size, void * areafn)
{
    struct obj2d * x = calloc(1, size);
    x->area = areafn;
    // obj2d constructor code ...
    return x;
}

// --------------------------------------------------------

struct rectangle {
    struct obj2d b1;        // base class
    float width;
    float height;
    float rotation;
};

#define WIDTH(obj)      (obj)->width
#define HEIGHT(obj)     (obj)->height

float rectangle_area(struct rectangle * self)
{
    return self->width * self->height;
}

#define NEW_rectangle()  _new_obj2d(sizeof(struct rectangle), rectangle_area)

// --------------------------------------------------------

struct triangle {
    struct obj2d b1;
    // deliberately unfinished to test error messages
};

#define NEW_triangle()  _new_obj2d(sizeof(struct triangle), triangle_area)

// --------------------------------------------------------

struct circle {
    struct obj2d b1;
    float radius;
};

#define RADIUS(obj)     (obj)->radius

float circle_area(struct circle * self)
{
    return M_PI * self->radius * self->radius;
}

#define NEW_circle()     _new_obj2d(sizeof(struct circle), circle_area)

// --------------------------------------------------------

#define NEW(objname)            (struct objname *) NEW_##objname()


int
main(int ac, char * av[])
{
    struct rectangle * obj1 = NEW(rectangle);
    struct circle    * obj2 = NEW(circle);

    X(obj1) = 1;
    Y(obj1) = 1;

    // your decision as to which of these is clearer, but note above that
    // macros also hide the fact that a member is in the base class

    WIDTH(obj1)  = 2;
    obj1->height = 3;

    printf("obj1 position (%f,%f) area %f\n", X(obj1), Y(obj1), AREA(obj1));

    X(obj2) = 10;
    Y(obj2) = 10;
    RADIUS(obj2) = 1.5;
    printf("obj2 position (%f,%f) area %f\n", X(obj2), Y(obj2), AREA(obj2));

    // WIDTH(obj2)  = 2;                                // error: struct circle has no member named width
    // struct triangle  * obj3 = NEW(triangle);         // error: triangle_area undefined
}

#include "class-framework.h"

CLASS (People) {
    int age;
};

int main()
{
    People *p = NEW (People);

    p->age = 10;

    printf("%d\n", p->age);
}

#define CLASS Point
#define BUILD_JSON

#define Point__define                            \
    METHOD(Point,public,int,move_up,(int steps)) \
    METHOD(Point,public,void,draw)               \
                                                 \
    VAR(read,int,x,JSON(json_int))               \
    VAR(read,int,y,JSON(json_int))               \

METHOD(Point,public,void,draw)
{
    printf("point at %d,%d\n", self->x, self->y);
}

class Point
    public int move_up(int steps)
    public void draw()
    read int x
    read int y