C语言面向对象编程.doc

C语言面向对象编程 原创作者: rubynroll 阅读:5643次 评论:0条 更新时间:2008-12-15 经常看到关于OO编程的讨论，C+, Java, C#.还有最近很流行的动态语言Python,Ruby等，但很少看到有C的份。在我看来，OO编程的核心是OO的思想，用什么语言倒是其次。但是，不可否认，那些专门为OO编程设计的语言可以比较方便和自然地表达OO思想，有些语言甚至强制使用OO特性。 C，作为最贴近底层的高级语言，拥有简洁的语法和直接内存操作能力（指针），大量运用于系统级编程，如操作系统内核，驱动程序等。而在嵌入式系统中，由于资源有限等因素，更倾向于用C编程。 C虽然在语言特性上并没有体现OO特性，但是依然可以通过各种编程技巧来体现OO的思想。由于C的高度自由的特点，在OO编程方面还能体现有别于其他语言的特殊韵味。 目 录 - 1. C的面向对象概念 2. 用struct来仿真class 3. 实现OO的继承机制 C的面向对象概念 OO Programing in C is not only POSSIBLE but also PRACTICAL. - OO思想在Unix世界中很早就有：UNIX把设备抽象成文件，这样就可以用一套相同的方法(open, read, write, close, . )去访问不同的设备和文件尽管设备之间的差异很大。用OO的观点来看，这些“设备”对象都实现了文件操作接口，可以想象有一个叫文件的基类，定义了文件操作接口，“设备”对象继承了“文件”对象.。在实现角度看，在内核里面，设备驱动提供了自己的read, write等实现，并用它们去填充文件操作结构体里面的函数指针.这和C+里面的虚函数运行时绑定的道理是一样的。( C+虚函数是其实是运行时静态绑定，而文件操作接口可以运行时动态绑定 :-) Linux内核中则处处体现了OO的思想。2.6内核的Device Driver Modal是一套层次分明又错综复杂的机制，其中体现了许多OO设计理念。虽然可能设备驱动程序开发者觉察不到，但所有的设备驱动对象内部都隐藏了一个叫 KObject的对象。内核把这些KObjects互相联系在一起，并通过KObject的相互关系构造了/sys文件系统。/sys就是内核中各种设备对象的映射图，如果把/sys全部展开，我们可以清楚地看到各种对象的关系。 实践证明，C也可以很好地用于OO编程，而且可以用于构造很复杂的系统，而且C在表达OO思想的时候并不会显得蹩脚，而是可以很简单，很自然。 用struct来仿真class OO Programing in C is not only POSSIBLE, but also PRACTICAL. - “class“是很多OO编程语言里的关键字，它来源于OO鼻祖Smalltalk。class（类），是对一群有相同特性的对象的抽象概括，对象称为类的实例。在class里面可以存放有状态(变量)，行为(函数/方法).有关OO概念、方法的文章太多了，不再啰嗦。在C里面，唯一可以实现自定义类型的是struct，struct是C的OO编程最重要的工具。 一个最常见的技巧，就是用struct来仿真class: 在struct里面放入变量，函数指针，嵌入其他struct等。 以下例子摘自我最近刚开发完成的一个USB Firmware项目: C代码 1. structusb_device; 2. structusb_ctl; 3. 4. structusb_iobuf 5. intlen;/*datalengthinthebuffer*/6. unsignedcharbufUSBEPFIFO_SIZE;/*databufferitself*/7. ; 8. 9. structusb_endpointinttype;/*endpointtype:BULKIN,BULKOUT,CTL,ISO.*/10. intqlen;/*queuelength*/11. 12. xQueueHandlelock;/*semaphorelock*/13. xQueueHandleq;/*dataqueue(pointerofbulk_buf)*/14. 15. intidx;/*endpointindex*/16. intepx;/*endpointmarkbit*/17. intcfg;/*endpointconfigure*/18. intbank;/*currentoperationbank(forping-pongmode)*/19. inttxCount;/*usedforping-pongmode*/*endpointdataprocessfunction*/void(*ep_process)(structusb_device*dev,structusb_endpoint*ep,xISRStatus*pxMessage); 20. ; 21. 22. structusb_descriptor 23. inttype;/*descriptortype:device,conf,stringorendpoint*/24. intidx;/*descriptorindex(forstringdescriptor)*/25. intsize;/*descriptorsize*/26. void*data;/*descriptordata*/27. structlist_headlist;/*linklistofdescriptors*/28. ; 29. 30. structusb_deviceOps 31. int(*init)(structusb_device*dev);/*calledwhenframeworkinitusbdevice,adddevicedescriptors,initprivatedata.etc.*/32. int(*reset)(structusb_device*dev);/*calledwhenresetedbyhost*/33. int(*switch_in)(structusb_device*dev);/*calledwhenswitchin*/34. int(*switch_out)(structusb_device*dev);/*calledwhenswithcout*/*calledwhenHOSTrequestclassinterfacedata*/35. void(*class_interface_req)(structusb_device*dev,xUSB_REQUEST*pxRequest);/*calledwhenHOSTcompletethedatasendingstage*/int(*ctl_data_comp)(structusb_device*dev,xCONTROL_MESSAGE*pxMessage); 36. ; 37. 38. structusb_ctlOps 39. void(*ctl_transmit_null)(structusb_ctl*ctl); 40. void(*ctl_send_stall)(structusb_ctl*ctl); 41. void(*ctl_reset_ep0)(structusb_ctl*ctl); 42. void(*ctl_detach_usb)(structusb_ctl*ctl); 43. void(*ctl_attach_usb)(structusb_ctl*ctl); 44. void(*ctl_send_data)(structusb_ctl*ctl,unsignedchar*data, 45. intreq_len, 46. intsend_len, 47. intis_des); 48. ; 49. 50. 51. structusb_ctl 52. intaddr;/*addressallocedbyhost*/53. intconf;/*configurationsetbyhost*/54. eDRIVER_STATEstate;/*currentstatus*/55. xCONTROL_MESSAGEtx;/*controltransmitmessage*/56. xCONTROL_MESSAGErx;/*controlreceivemessage*/57. structubufm*bufmn;/*usb_iobufbuffermanager,sharedbyallusbdevices*/58. intprio;/*themaintaskpriority*/59. xTaskHandletask_handle;/*themaintaskhandler*/60. structusb_ctlOps*ctlOps;/*controlendpointoperations*/61. ; 62. 63. structusb_device 64. charname16;/*devicename,e.g.usbser*/65. structusb_deviceOps*ops;/*usbdevicecallbackfunctions*/66. 67. structusb_ctl*ctl;/*usbcontrolenpoint,providedbyframework*/68. structlist_headdesc_list;/*usbdescriptors*/69. structusb_endpoint*epMAX_ENDPOINTS;/*endpoints*/70. intactive;/*whetherthedeviceisactive*/71. xQueueHandleready;/*notifythisqueuewhenusbdeviceready*/72. void*private;/*deviceprivatedata*/73. structlist_headlist;/*linklistofusbdevice*/74. ;struct usb_device;struct usb_ctl;struct usb_iobuf int len;/* data length in the buffer */unsigned char bufUSBEPFIFO_SIZE;/* data buffer itself */;struct usb_endpoint int type;/* endpoint type: BULKIN, BULKOUT, CTL, ISO . */int qlen;/* queue length */xQueueHandle lock;/* semaphore lock */xQueueHandle q;/* data queue (pointer of bulk_buf) */int idx;/* endpoint index */int epx;/* endpoint mark bit */int cfg;/* endpoint configure */int bank;/* current operation bank (for ping-pong mode) */int txCount;/* used for ping-pong mode */* endpoint data process function */void (*ep_process) (struct usb_device *dev, struct usb_endpoint *ep, xISRStatus *pxMessage);struct usb_descriptor int type;/* descriptor type: device, conf, string or endpoint */int idx;/* descriptor index (for string descriptor) */int size;/* descriptor size */void * data;/* descriptor data */struct list_head list;/* link list of descriptors */;struct usb_deviceOps int (*init)(struct usb_device *dev);/* called when framework init usb device, add device descriptors, init private data . etc. */int (*reset)(struct usb_device *dev);/* called when reseted by host */int (*switch_in)(struct usb_device *dev);/* called when switch in */int (*switch_out)(struct usb_device *dev);/* called when swithc out */* called when HOST request class interface data */void (*class_interface_req)(struct usb_device *dev, xUSB_REQUEST *pxRequest);/* called when HOST complete the data sending stage */int (*ctl_data_comp)(struct usb_device *dev, xCONTROL_MESSAGE *pxMessage);struct usb_ctlOps void (*ctl_transmit_null)(struct usb_ctl *ctl);void (*ctl_send_stall)(struct usb_ctl *ctl);void (*ctl_reset_ep0)(struct usb_ctl *ctl);void (*ctl_detach_usb)(struct usb_ctl *ctl);void (*ctl_attach_usb)(struct usb_ctl *ctl);void (*ctl_send_data)(struct usb_ctl *ctl, unsigned char *data,int req_len,int send_len,int is_des);struct usb_ctl int addr;/* address alloced by host */int conf;/* configuration set by host */eDRIVER_STATE state;/* current status */xCONTROL_MESSAGE tx;/* control transmit message */xCONTROL_MESSAGE rx;/* control receive message */struct ubufm *bufmn;/* usb_iobuf buffer manager, shared by all usb devices */int prio;/* the main task priority */xTaskHandle task_handle;/* the main task handler */struct usb_ctlOps *ctlOps;/* control endpoint operations */;struct usb_device char name16;/* device name, e.g. usbser */struct usb_deviceOps *ops;/* usb device callback functions */struct usb_ctl *ctl;/* usb control enpoint, provided by framework */struct list_head desc_list;/* usb descriptors */struct usb_endpoint *epMAX_ENDPOINTS;/* endpoints */int active;/* whether the device is active */xQueueHandle ready;/* notify this queue when usb device ready */void *private;/* device private data */struct list_head list;/* link list of usb device */;在这个例子，我用struct分别描述了USB设备，USB控制通道，USB端点，USB描述符和USB缓冲区对象。USB设备对象包含了若干个USB端点，一个USB控制通道指针，一个USB描述符表的表头(指向若干个USB描述符)，和一个USB缓冲区管理对象。而且，USB设备对象还包含了name属性，一个由USB Framework调用的回调函数集，还有一个用于连接其他USB设备的链表节点。 值得一提的是，USB设备对象中有一个void *private 成员，可以指向任何数据。实际上在我的程序里，我实现了usb-serial和usb-mass-storage两个USB设备，对于usb-serial对象，private我弃之不用，而在usb-mass-storage对象中，private指向一个Mass storage对象，usb-mass-storage正是通过这个Mass storage对象访问外部大容量存储的（在我的程序里，Mass storage对象和一个MMC Card对象绑定，外部存储是SD/MMC卡）。由于对于每一种设备的具体实现来说，它知道private指向的是何种类型的设备，因此不会引起混乱。而外部程序根据需要在初始化USB设备对象前赋予private有意义的值运行时动态绑定。 这一系列struct基本上如实地反映了USB DEVICE硬件逻辑和规范要求: 一个USB设备包含若干个端点，其中有一个固定的控制端点(端点0)。在枚举阶段USB设备要根据HOST的请求应答相应的描述符. 现在回到OO的话题，这个例子中体现了组合类：USB设备对象包含了USB端点对象，USB描述符对象.。还有动态绑定 (private成员)。从严格的OO意义上来看，好像有点怪，不过我认为这恰恰是C的特点简洁，直接。不信你用C+表达试试？也许会更漂亮，很OO，但是不一定会如此清爽！ P.S. : 熟悉USB Firmware开发的人可能对struct usb_endpoint中的epx,cfg,bank和txCount四个成员有异议，因为这些成员是和特定的硬件相关，并不是所有的USB硬件都支持ping-pong mode，所以bank和txCount不一定用得上，epx, cfg也可能因硬件的不同而不同。没错！更理想的设计是把与硬件相关的部分分离出来，用void *private指向各自的与硬件相关的配置就像struct usb_device所采用方法，所以更好的版本应该是： Java代码 1. structusb_endpoint 2. inttype;/*endpointtype:BULKIN,BULKOUT,CTL,ISO.*/3. intqlen;/*queuelength*/4. xQueueHandlelock;/*semaphorelock*/5. xQueueHandleq;/*dataqueue(pointerofbulk_buf)*/6. intidx;/*endpointindex*/7. 8. /*endpointdataprocessfunction*/9. void(*ep_process)(structusb_device*dev,structusb_endpoint*ep,xISRStatus*pxMessage); 10. void*private;/*endpointprivatedata(hardwarerelevant)*/11. ;struct usb_endpoint int type;/* endpoint type: BULKIN, BULKOUT, CTL, ISO . */ int qlen;/* queue length */ xQueueHandle lock;/* semaphore lock */ xQueueHandle q;/* data queue (pointer of bulk_buf) */ int idx;/* endpoint index */ /* endpoint data process function */ void (*ep_process)(struct usb_device *dev,struct usb_endpoint *ep, xISRStatus *pxMessage); void *private;/* endpoint private data (hardware relevant) */;tips: 用C表达的一个关键处就是要很好地应用struct来描述模型。 实现OO的继承机制 OO Programing in C is not only POSSIBLE but also PRACTICAL - OO的一个亮点是类的继承，通过继承，可以重用许多代码。而且继承也是现实生活中非常自然的一种关系。但是很不幸，C没有class，更没有提供继承的表达方式。既然能用C的struct来仿真class, 那能不能继续来仿真继承呢？答案是:possible。就像书中所叙述的那样你可以用C来达到所有C+能做到的事。但这种仿真显然毫无实际应用价值。 继承是一种表达方式，代码重用才是目的。 为了重用代码，C+可以用继承的方式来巧妙的达到目的，但是也必须付出代价：你必须非常仔细地设计你的类族谱，要有前瞻性，要有可扩展性，要决定分多少个层次.这些都不是容易做到的事。 C别无选择，模块化设计，函数，宏.只能通过巧妙的设计才能达到代码可重用的目的。还是举个例子来说明C是如何做到殊途同归的吧。 链表是一个非常常用的数据结构，常用于管理无序的数据(对象)集合。链表操作，特别是双向链表操作很容易出错。重用一套通用操作链表的代码可以为我们省不少事。在C+中，我们可以用经典的STL中的list类。为了适应各种数据类型，list类用模板来实现。list类实现的很巧妙，功能很强，但是，不得不说，很少人用。其实不仅list类很少用，STL都很少人用。（希望这是我的一家之言，反正我所熟悉的C+程序员都不怎么用STL :-）当然在C+中你还有另外一个选择：实现一个List基类完成链表操作，要放入链表的类从List类继承而来，就拥有了一套操作list的方法。 Linux内核中用C提供了一套非常巧妙的方法操作链表，位于./linux/include/linux/list.h，只用一些宏和inline函数来实现双向链表。摘抄一部分出来： C代码 1. . 2. structlist_head 3. structlist_head*next,*prev; 4. ; 5. 6. 7. #defineLIST_HEAD_INIT(name)&(name),&(name) 8. 9. #defineLIST_HEAD(name) 10. structlist_headname=LIST_HEAD_INIT(name) 11. 12. #defineINIT_LIST_HEAD(ptr)do 13. (ptr)-next=(ptr);(ptr)-prev=(ptr); 14. while(0) 15. 16. /* 17. *Insertanewentrybetweentwoknownconsecutiveentries. 18. * 19. *Thisisonlyforinternallistmanipulationwhereweknow 20. *theprev/nextentriesalready! 21. */22. staticinlinevoid_list_add(structlist_head*new, 23. structlist_head*prev, 24. structlist_head*next) 25. 26. next-prev=new; 27. new-next=next; 28. new-prev=prev; 29. prev-next=new; 30. 31. 32. /* 33. *list_add-addanewentry 34. *new:newentrytobeadded 35. *head:listheadtoadditafter 36. * 37. *Insertanewentryafterthespecifiedhead. 38. *Thisisgoodforimplementingstacks. 39. */40. staticinlinevoidlist_add(structlist_head*new,structlist_head*head) 41. 42. _list_add(new,head,head-next); 43. 44. 45. . 46. 47. /* 48. *list_entry-getthestructforthisentry 49. *ptr:the&structlist_headpointer. 50. *type:thetypeofthestructthisisembeddedin. 51. *member:thenameofthelist_structwithinthestruct. 52. */53. #definelist_entry(ptr,type,member) 54. container_of(ptr,type,member) 55. 56. /* 57. *list_for_each-iterateoveralist 58. *pos:the&structlist_headtouseasaloopcounter. 59. *head:theheadforyourlist. 60. */61. #definelist_for_each(pos,head) 62. for(pos=(head)-next;prefetch(pos-next),pos!=(head); 63. pos=pos-next) 64. 65. .struct list_head struct list_head *next, *prev;#define LIST_HEAD_INIT(name) &(name), &(name) #define LIST_HEAD(name) struct list_head name = LIST_HEAD_INIT(name)#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do (ptr)-next = (ptr); (ptr)-prev = (ptr); while (0)/* * Insert a new entry between two known consecutive entries. * * This is only for internal list manipulation where we know * the prev/next entries already! */static inline void _list_add(struct list_head *new, struct list_head *prev, struct list_head *next) next-prev = new; new-next = next; new-prev = prev; prev-next = new;/* * list_add - add a new entry * new: new entry to be added * head: list head to add it after * * Insert a new entry after the specified head. * This is good for implementing stacks. */static inline void list_add(struct list_head *new, struct list_head *head) _list_add(new, head, head-next);./* * list_entry - get the struct for this entry * ptr: the &struct list_head pointer. * type: the type of the struct this is embedded in. * member: the name of the list_struct within the struct. */#define list_entry(ptr, type, member) container_of(ptr, type, member)/* * list_for_each - iterate over a list * pos: the &struct list_head to use as a loop counter. * head: the head for your list. */#define list_for_each(pos, head) for (pos = (head)-next; prefetch(pos-next), pos != (head); pos = pos-next).其中 container_of 宏如下： C代码 1. /* 2. *container_of-castamemberofastructureouttothecontainingstructure 3. *ptr:thepointertothemember. 4. *type:thetypeofthecontainerstructthisisembeddedin. 5. *member:thenameofthememberwithinthestruct. 6. * 7. */8. #definecontainer_of(ptr,type,member)( 9. consttypeof(type*)0)-member)*_mptr=(ptr); 10. (type*)(char*)_mptr-offsetof(type,member);)/* * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure * ptr: the pointer to the member. * type: the type of the container struct this is embedded in. * member: the name of the member within the struct. * */#define container_of(ptr, type, member) ( const typeof( (type *)0)-member ) *_mptr = (ptr); (type *)( (char *)_mptr - offsetof(type,member) );)这里使用了GCC特有的 typeof 关键字，如果想用其他编译器也想编译通过的话，可以修改成： C代码 1. #definecontainer_of(ptr,type,member)( 2. (type*)(char*)ptr-offsetof(type,member)#define container_of(ptr, type, member) ( (type *)( (char *)ptr - offsetof(type,member) ) )为了便于说明，prefetch定义成： Java代码 1. staticinlinevoidprefetch(constvoid*x);static inline void prefetch(const void *x) ;offsetof的一个简单版本： C代码 1. #de