C语言中的面向对象

什么是一组能使C语言实现某种丑陋（但可用）的面向对象的漂亮的预处理程序黑客（与ANSI C89 / ISO C90兼容）？

我熟悉几种不同的面向对象语言，因此请不要回答“学习C ++！”之类的答案。我已经阅读了“ 使用ANSI C进行面向对象的编程 ”（当心：PDF格式）和其他一些有趣的解决方案，但是我对您的最感兴趣：-)！

另请参见您可以用C编写面向对象的代码吗？

C对象系统（COS）听起来很有希望（它仍处于alpha版本）。为了简单和灵活起见，它尝试将可用概念保持在最低限度：统一的面向对象的编程，包括开放类，元类，属性元类，泛型，多方法，委托，所有权，异常，协定和闭包。有一份描述它的草稿（PDF）。

C语言中的例外是在其他OO语言中发现的TRY-CATCH-FINALLY的C89实现。它带有一个测试套件和一些示例。

两者都是Laurent Deniau编写的，后者正在C中从事OOP方面的工作。

我建议不要使用预处理器（ab）来尝试使C语法更像另一种面向对象的语言。在最基本的级别上，您仅将普通结构用作对象，并通过指针将它们传递：

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

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

为了获得继承和多态之类的东西，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进行手动继承，然后可以自由地将指针转换为基类和派生类：

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

要获得多态性（即虚拟函数），请使用函数指针，以及可选的函数指针表，也称为虚拟表或vtable：

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;
}

这就是您在C语言中进行多态的方式。这虽然不漂亮，但却可以完成工作。在基类和派生类之间存在一些涉及指针强制转换的棘手问题，只要基类是派生类的第一个成员，这些问题就很安全。多重继承要困难得多-在这种情况下，为了在第一个以外的基类之间进行区分，您需要根据适当的偏移量手动调整指针，这确实很棘手且容易出错。

您可以执行的另一项（棘手的）操作是在运行时更改对象的动态类型！您只需为其重新分配一个新的vtable指针即可。您甚至可以选择性地更改某些虚拟功能，同时保留其他功能，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。

我曾经使用过一个C库，该C库的实现方式使我感到非常优雅。他们用C编写了一种定义对象，然后从它们继承的方式，以便它们像C ++对象一样可扩展。基本思想是：

• 每个对象都有自己的文件
• 在.h文件中为对象定义了公共函数和变量
• 专用变量和函数仅位于.c文件中
• 为了“继承”新的结构，该结构的第一个成员是要从其继承的对象

继承很难描述，但是基本上是这样的：

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货车，并由仅了解车辆的代码使用：

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

它工作得很漂亮，并且.h文件准确定义了您应该对每个对象执行的操作。

用于Linux的GNOME桌面是用面向对象的C语言编写的，它具有一个称为“ GObject ” 的对象模型，该模型支持属性，继承，多态性以及其他一些诸如引用，事件处理（称为“信号”），运行时等特性。打字，私人数据等。

它包括预处理器黑客，可进行类层次结构中的类型转换等操作。这是我为GNOME编写的示例类（例如gchar等都是typedef）：

类源

类头

在GObject结构内部，有一个GType整数，它用作GLib动态类型系统的魔术数字（您可以将整个结构转换为“ GType”以找到其类型）。

在我不知道OOP是什么之前，我曾经用C做这种事情。

以下是一个示例，该示例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按需增长。这个特定的实现是基于“元素”的，也就是说，它旨在允许任何C类型的类似列表的集合，而不仅仅是可变长度的字节缓冲区。

这个想法是使用xxx_crt（）实例化该对象，并使用xxx_dlt（）删除该对象。每个“成员”方法都需要使用专门键入的指针来进行操作。

我以这种方式实现了链表，循环缓冲区和许多其他功能。

我必须承认，我从未考虑过如何使用这种方法实现继承。我认为，基辅利提供的一些融合可能是一条好路。

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));
    }

dtb.h

typedef _Packed struct {
    vint            min;                /* initial size                       */
    vint            inc;                /* increment size                     */
    vint            max;                /* maximum size                       */
    vint            siz;                /* current size                       */
    vint            cur;                /* current data length                */
    void            *dta;               /* data pointer                       */
    } DTABUF;

#define dtb_dtaptr(mDBP)                (mDBP->dta)
#define dtb_dtalen(mDBP)                (mDBP->cur)

DTABUF              *dtb_crt(vint minsiz,vint incsiz,vint maxsiz);
DTABUF              *dtb_dlt(DTABUF *dbp);
vint                dtb_adddta(DTABUF *dbp,const byte *xlt256,const void *dtaptr,vint dtalen);
vint                dtb_addtxt(DTABUF *dbp,const byte *xlt256,const byte *format,...);
vint                dtb_rmvdta(DTABUF *dbp,vint len);
vint                dtb_reset(DTABUF *dbp);
void                *dtb_elmptr(DTABUF *dbp,vint elmidx,vint elmlen);

PS：vint只是int的typedef-我用它来提醒我，它的长度因平台而异（用于移植）。

稍微偏离主题，但原始的C ++编译器Cfront将C ++编译为C，然后编译为汇编器。

保存在这里。

如果您将调用对象的方法视为将隐式' this' 传递给函数的静态方法，则可以使C语言中的OO更加容易。

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

或类似的东西。

ffmpeg（用于视频处理的工具包）以纯C语言（和汇编语言）编写，但使用的是面向对象的样式。它充满了带有函数指针的结构。有一组工厂函数可以使用适当的“方法”指针来初始化结构。

如果你真的认为catefully，甚至标准C库使用OOP -考虑FILE *作为一个例子：fopen()初始化一个FILE *对象，你使用它使用成员方法fscanf()，fprintf()，fread()，fwrite()和其他人，并最终定稿fclose()。

您也可以使用伪目标C方法，这也不难：

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;
}
// ...

使用方法：

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);
}

如果使用了相当老的Objective-C-to-C转换器，则可能是某些Objective-C代码产生的结果：

@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];
}

我认为Adam Rosenfield发布的内容是用C语言进行OOP的正确方法。我想补充一点，他所展示的是对象的实现。换句话说，实际的实现将放置在.c文件中，而接口将放置在头.h文件中。例如，使用上面的猴子示例：

该界面如下所示：

//monkey.h

    struct _monkey;

    typedef struct _monkey monkey;

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

您可以在接口.h文件中看到仅在定义原型。然后，您可以将实现部分“ .c文件” 编译为静态或动态库。这将创建封装，您也可以随意更改实现。对象的用户几乎不需要了解其实现。这也将重点放在对象的整体设计上。

我个人认为oop是一种概念化代码结构和可重用性的方法，实际上与c ++中添加的其他任何内容（例如重载或模板）无关。是的，这些都是非常有用的功能，但它们并不代表什么是面向对象的编程。

我的建议：保持简单。我遇到的最大问题之一是维护较旧的软件（有时已使用10年以上）。如果代码不简单，则可能会很困难。是的，可以用C语言编写具有多态性的非常有用的OOP，但是可能很难阅读。

我更喜欢封装一些定义明确的功能的简单对象。GLIB2是一个很好的例子，例如哈希表：

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);

关键是：

1. 简单的架构和设计模式
2. 实现基本的OOP封装。
3. 易于实施，阅读，理解和维护

如果我要用CI编写OOP，可能会使用伪Pimpl设计。最终没有传递指向结构的指针，而是传递了指向结构的指针。这使内容不透明，并促进了多态性和继承。

C中的OOP真正的问题是变量退出作用域时会发生什么。没有编译器生成的析构函数，并且可能导致问题。宏可能会有所帮助，但是要看它总是很丑陋的。

使用C以面向对象样式进行编程的另一种方法是使用代码生成器，该代码生成器将特定于域的语言转换为C。就像使用TypeScript和JavaScript将OOP引入js一样。

#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);
}

输出：

6.56
13.12

这是用C进行OO编程的一个例子。

这是真实的纯C语言，没有预处理程序宏。我们具有继承，多态和数据封装（包括类或对象专用的数据）。受保护的限定词等效项是没有机会的，也就是说，私有数据在继承链中也是私有的。但这并不是不便之处，因为我认为没有必要。

CPolygon 之所以没有实例化它，是因为我们仅使用它来操作继承链中具有相同方面但实现方式不同（多态性）的对象。

@Adam Rosenfield对如何使用C实现OOP有很好的解释

此外，我建议您阅读

1）pjsip

一个非常好的VoIP C库。您可以通过结构和函数指针表了解它如何实现OOP

2）iOS执行阶段

了解iOS运行时如何为Objective C提供支持。它通过isa指针，元类实现OOP。

对我来说，C语言中的面向对象应具有以下功能：

1. 封装和数据隐藏（可以使用结构/不透明指针实现）

2. 继承和对多态的支持（可以使用结构实现单个继承-确保抽象库不可实例化）

3. 构造函数和析构函数功能（不容易实现）

4. 类型检查（至少对于用户定义的类型，因为C不强制执行任何类型）

5. 引用计数（或用于实现RAII的内容）

6. 对异常处理的支持有限（setjmp和longjmp）

最重要的是，它应依赖于ANSI / ISO规范，而不应依赖于特定于编译器的功能。

查看http://ldeniau.web.cern.ch/ldeniau/html/oopc/oopc.html。如果没有其他需要阅读的文档，那将是一个启发性的体验。

我在这里参加聚会有点晚，但是我想避免两种极端的情况-太多或太多的混淆代码，但是几个明显的宏可以使OOP代码更易于开发和阅读：

/*
 * 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
}

我认为这具有很好的平衡性，对于某些更可能的错误，它所产生的错误（至少使用默认的gcc 6.3选项）是有用的，而不是造成混淆。关键是要提高程序员的工作效率吗？

如果您需要编写一些代码，请尝试以下操作：https : //github.com/fulminati/class-framework

#include "class-framework.h"

CLASS (People) {
    int age;
};

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

    p->age = 10;

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

我也在基于宏解决方案进行此工作。我想这仅是最勇敢的;-)但它已经非常不错了，我已经在上面进行了一些项目。它可以正常工作，以便您首先为每个类定义一个单独的头文件。像这样：

#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))               \

要实现该类，请为其创建一个头文件和一个在其中实现方法的C文件：

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

在为类创建的标题中，包括所需的其他标题并定义与该类相关的类型等。在类头文件和C文件中，都包括类规范文件（请参见第一个代码示例）和一个X宏。这些X-宏（1，2，3等）将扩展代码来实际的类结构体和其他声明。

要继承一个类，#define SUPER supername并添加supername__define \在类定义中为第一行。两者都必须在那里。还提供JSON支持，信号，抽象类等。

要创建对象，只需使用W_NEW(classname, .x=1, .y=2,...)。初始化基于C11中引入的struct初始化。它运行良好，未列出的所有内容均设为零。

要调用方法，请使用W_CALL(o,method)(1,2,3)。它看起来像一个高阶函数调用，但它只是一个宏。它扩展到((o)->klass->method(o,1,2,3))这是一个非常不错的技巧。

请参阅文档和代码本身。

由于该框架需要一些样板代码，因此我编写了完成此工作的Perl脚本（wobject）。如果使用它，您可以写

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

它将创建类说明文件，类头文件和一个C文件，其中包括Point_impl.c实现类的位置。如果您有许多简单的类，但仍然一切都在C中，那么它可以节省大量工作。wobject是一个非常简单的基于正则表达式的扫描程序，可以轻松满足特定需求或从头开始重写。

开源Dynace项目正是这样做的。在https://github.com/blakemcbride/Dynace

您可以试用COOP，它是C语言中OOP的程序员友好框架，具有类，异常，多态和内存管理（对于嵌入式代码很重要）。这是一种相对轻量级的语法，请参见Wiki中的教程。