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[操作系统]基于C语言的面向对象编程


嵌入式软件开发中,虽然很多的开发工具已经支持C++的开发,但是因为有时考虑运行效率和编程习惯,还是有很多人喜欢用C来开发嵌入式软件。Miro Samek说:“我在开发现场发现,很多嵌入式软件开发者(绝大多数是电子工程师)都有工作背景而且他们常常不喜欢用C++。”【1】

面向对象编程(OOP)是一种方法,而不依赖于某特定语言。一般认为,OOP只能使用面向对象的语言,如Smalltalk、C++或Java等固有支持OOP的语言。但是,OOP并不依赖于特殊的语言,只要实现了OOP的封装、继承和多态性这三大基本特性,使用非固有支持面向对象的语言,也可以进行面向对象的编程。

面向对象编程方法的三大基本特性是:

  • 封装性---封装数据(属性)与函数(方法)到类中的能力;
  • 继承性---基于已有的类定义新类的能力;
  • 多态性---在运行时具有一致接口的对象相互替换的能力。

虽然这些特性与面向对象语言有关,但几乎可以用任何语言实现面向对象的这三大基本特性,包括C语言和汇编语言等。事实上,不管实现语言为何,任何大的软件系统几乎都会以某种形式使用抽象(封装)、继承或多态性。

1.C语言的封装

1.1 封装的本质

在C++中,一个类中包括属性和方法,声明一个类例子如下:

class A { int n;         //属性 A();          //构造函数 void function1(int x){...}; //方法}

在C++中,用A生成两个对象a1和a2时,如下:

A a1 = new A();A a2 = new A();

对于非模板类A,在内存中,对所有的对象,方法function1只有一个拷贝,而对每个对象,都有自己独立的一份属性拷贝,也就是有多个属性拷贝,所谓创建一个对象,也就是创建一套属性。

调用a1.function1()和a2.function1()时,每个对象使用自己的属性n1和n2,而方法代码在内存中是同一套。这就相当于调用functin1(n1,x)和function1(n2,x)。

在C语言实现中,把所有的属性放到一个结构中,所有方法中第一个参数用一个指向自己属性结构的一个指针me, 如下:
function1(struct *me, ...);
这个方法对所有对象有用,具体对哪个对象的属性操作,可以用me来区分。

1.2 具体例子

生成两个文件person.h和person.c,定义一个Person结构类型(也就是类名称),把属性放到结构中方法中的第一个参数me是Person的引用指针

pers1.2on.h文件:
在头文件中以结构定义类成员属性,声明构造方法和析构方法,声明public方法。

#ifndef PERSON_H#define PERSON_H  /*1.定义类成员属性(没有隐藏)*/  typedef struct PersonTag {    String name__; /*属性*/    uint8_t age__; /*属性*/  }Person;      /*2.声明构造和析构函数*/  void Person_Ctor(Person *me, uint8_t age);/*第一个参数指向属性*/  void Person_Xtor(Person *me);/*第一个参数指向属性*/    /*3.声明public方法*/  void Person_setName(Person *me, String name);/*第一个参数指向属性*/  String Person_getName(Person *me);/*第一个参数指向属性*/    /*4.声明private方法(要在person.c文件中声明)*/    #endif

person.c文件:
在.c文件中声明private方法,并实现所有的方法。

#include "person.h"/*1.声明private方法, 用static修饰*/static void Person_setAge(Person *me, uint8_t age);/*第一个参数指向属性*/static uint8_t Person_getAge(Person *me);/*第一个参数指向属性*//*2.实现构造和析构函数*/void Person_Ctor(Person *me, uint8_t age) {  me->age__ = age;}void Person_Xtor(Person *me) {  ...}/*3.实现public方法*/void Person_setName(Person *me, String name) {  me->name__ = name;}String Person_getName(Person *me) {  return me->name__;}/*4.实现private方法*/void Person_setAge(Person *me, uint8_t age) {  me->age__ = age;}uint8_t Person_getAge(Person *me) {  return me->age__;}

app.c中使用Person类:

#include "person.h" /*包含头*/void main() {  String tmp;  Person l_ps1; /*创建一个实例,实际就是一个属性*/  Person l_ps2; /*创建另一个实例,实际就是另一个属性*/    Person_Ctor(l_ps1, 30);   /*显式调用构造函数*/  Person_setName(l_ps1,"张三"); /*使用其public方法*/  tmp = Person_getName(l_ps1); /*使用其public方法*/    Person_Ctor(l_ps2, 30);    /*使用其public方法*/  Person_setName(l_ps2, "李四"); /*使用其public方法*/  tmp = Person_getName(l_ps2); /*使用其public方法*/}

2.C语言的继承

Student继承自Person, 继承类属性结构的第一个参数指向父类属性,这样可以满足Liskov替换原则

student.h文件:
在头文件中以结构定义类成员属性,并声明构造、析构函数和public方法。

#ifndef STUDENT_H#define STUDENT_H#include "person.h" /*包含父类头*/  /*1.定义类属性(没有隐藏)*/  typedef struct StudentTag {    Person super;  /*第一个参数指向父类Person,继承父类属性*/    uint8_t code__; /*子类添加的属性*/  }Student;      /*2.声明构造和析构方法*/  void Student_Ctor(Student *me, uint8_t code);  void Student_Xtor(Student *me);    /*3.声明public方法*/  void Student_setCode(Student *me, uint8_t code);  uint8_t Student_getCode(Student *me);    /*4.声明private方法(在.c文件中声明)*/    #endif

student.c文件:
在.c文件中声明private方法,实现所有的构造方法和析构方法,实现所有的public和private方法。

#include "student.h"/*1.声明private方法*/static void XXX(Student *me, ...); /*2.构造和析构方法实现*/void Student_Ctor(Student *me, String name, uint8_t code) {  Person_Ctor((Person*)me, name);/*先调用父类构造函数*/  me->code__ = code;}void Person_Xtor(Person *me) {  ...}/*3.public方法实现*/void Student_setCode(Student *me, uint8_t code) {  me->code__ = code;} 

app.c中使用Student类:

#include "Student.h" /*包含头*/void main() {  String tmp;  Student l_st1; /*创建一个实例,实际就是一个属性*/  Student l_st2; /*创建另一个实例,实际就是另一个属性*/    Student_Ctor(l_st1, "张三, 25); /*显式调用构造函数*/  Student_setCode(l_st1, 30); //使用其public方法  tmp = Student_getCode(l_st1); //使用其public方法}

3.C语言的多态性

利用C语言的万能指针void *p可以实现多态。略。

4.总结

用C语言可以实现面向对象的三大特性,适合于嵌入式系统的编程,QP的C版本就是这样实现的。现在很多的开源软件,包括postgreSQL、GObject等都采用C语言实现面向对象的方法。采用这个方法,使程序具有更好的可读性、可扩展性,同时保持了C语言的高效性。