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我所偏爱的 C 语言面向对象编程范式

云风的 BLOG 2010-04-15 13:51:28 浏览 3,002 次

面向对象编程不是银弹。大部分场合,我对面向对象的使用非常谨慎,能不用则不用。相关的讨论就不展开了。

但是,某些场合下,采用面向对象的确是比较好的方案。比如 UI 框架,又比如 3d 渲染引擎中的场景管理。C 语言对面向对象编程并没有原生支持,但没有原生支持并不等于不适合用 C 写面向对象程序。反而,我们对具体实现方式有更多的选择。

大部分用 C 写面向对象程序的程序员受 C++ 影响颇深。企图用宏模拟出一个常见 C++ 编译器已经实现的对象模型。于我愚见,这并不是一个好的方向。C++ 的对象模型,本质上是为了追求实现层的性能,并直接体现出来。就有如在 C++ 中被滥用的 inline ,的确有效,却破坏了分离原则。C++ 的继承是过紧的耦合。

我所理解的面向对象,是让不同的数据元有共同的操作方式,适合成组的处理。根据操作方式的不同,我们会对数据元做不同的分组。一个数据可能出现在这个组里,也可以出现在那个组里。这取决于你从不同的方面提取的共性。这些可供统一操作的共性称之为接口(Interface),接口在 C 语言中,表现为一组函数指针的集合。放在 C++ 中,即为虚表。

我所偏爱的面向对象实现方式(使用 C 语言)是这样的:

若有一组数据,我们需要让他们看起来都有一种叫作 foo 的共性。把符合这样的数据都称为 foo_object 。通常,我们会有如下 api 去操控 foo_object

struct foo_object;

struct foo_object * foo_create();
void foo_release(struct foo_object *);
void foo_dosomething(struct foo_object *);

在具体实现时,会在一个叫 foo.c 的实现文件中,定义出 foo_object 结构,里面有一些 foo_dosomething 所需的数据成员。

但是,以上还不能满足要求。因为,我们会有不同的数据,他们只是表现出 foo_object 某些方面的特性。对于不同的数据,它们在 dosomething 时,实际所做的操作也有所区别。这时,我们需要定义出一个接口,供 foo.c 内部使用。那么,以上的头文件就需要做一些修改,把接口 i_foo 的定义加进去,并修改 create 函数。

struct i_foo {
    void (*foobar)(void *);
};

struct foo_object * foo_create(struct i_foo *iface, void *data);

这里稍做解释。i_foo 是供 foo_dosomething 内部使用的一组接口。构造 foo_object 时,我们把一个外部数据 data 和为 foo_object 相关特性定义出的 i_foo 接口捆绑在一起,传入构造函数 foo_create 。一般,我还会会每个符合 foo_object 特性的对象实现一个方法来得到对应的 i_foo ,如:

struct foobar;

struct i_foo * foobar_foo(void);
struct foobar * foobar_create(void);
void foobar_release(struct foobar *);

创建一个 foo_object 对象的代码看起来是这样:

struct foobar *foobar = foobar_create();
  struct foo_object * fobj = foo_create(foobar_foo() , foobar);

struct foo_object 的定义中,必然要记录 i_foo 的接口指针和 data 数据指针。从 C++ 的观点看,foo_object 是基类,它也会有一些基类成员和非虚的成员函数。具体的派生类在实现时,改写了虚表 i_foo 的内容(重载了虚函数)。data 数据是在对基类 foo_object 继承时扩展的数据成员。但,在这里,我们使用了组合的方式来扩展成员。这增加了一层间接性,但提供了更低的耦合。其中的优劣暂且不讨论了。

通常看起来会是这样:

struct foo_object {
    struct i_foo * vtbl;
    void * data;
    void * others;
};

void
foo_dosomething(struct foo_object *fobj)
{
    fobj->vtbl->foobar(fobj->data);
    // do something else
}

此处还有另一个问题:data 的生命期该由谁来负责?

生命期管理是个很大的课题。也是大多数使用 C/C++ 开发的软件的复杂度重要来源。我个人倾向于把生命期管理独立出来解决。所以 foo_object 模块一般并不负责 data 的生命期管理。它只负责 struct foo_object 的资源释放。

自己经营自己,是我的 C 语言软件开发的观点之一。我倾向于采用混合语言编程来更好的解决这个问题。比如 C 和 Lua ,或者 C 和 C++ 。如果不采用混合语言编程,那么也可以在之后,增加一个同样用 C 语言编写的层次来管理。这个话题,留到下次来讲。

剥离出生命期管理,代码量可以减少很多,也不容易犯错误。

ps. C 语言是一个弱类型的语言。至少比 C++ 要弱一些。这表现在:

void * 在 C 语言中可以指代任意数据指针。你可以把任意数据指针赋值给一个 void * 变量,也可以把一个 void * 变量赋给特定的指针类型变量。(这在 C++ 中不推荐,并会被编译器警告)

C 语言中的函数指针也比较有趣。通常,不同类型的函数指针相互赋值是会引起编译器警告的(类型不同)。当然,我们可以用一个 void * 来解决问题。但有时候,我们期望让类型检查严格一些,至少我们不希望把一个数据指针赋值给一个函数指针。但希望编译器不要理会函数参数的差异。

在 C 语言中,void (*foo)() 可以被赋予任意返回 void 的函数指针。即,你可以把 void foobar(int) 的地址赋予前面的 foo 变量(这是由 C 标准的参数传递规则保证的)。

所以,在 C 语言编程中需要注意。如果你想定义一个不接受参数的函数,并让编译器帮你检查出那些错误的多传递了参数的语句。你必须在 .h 文件中严格定义 void foo(void) 以示 foo 函数不接受参数。

在传统的 C 语言中,对结构初始化需要非常小心。这里,我们的 i_foo 接口定义就使用了 C 里的结构。这需要非常谨慎小心。(没有 C++ 编译器帮你做这件事)

C99 新增加的语法增强了这点(在初始化结构时,可以不依赖次序,而写出成员的名字)。值得采用。

建议继续学习

  1. 面向对象的Shell脚本 (阅读 5,985)
  2. 使用PHP创建一个面向对象的博客 (阅读 5,324)
  3. 用星际争霸讲解面向对象的概念 (阅读 5,103)
  4. PHP面向对象编程的三大特性 (阅读 4,543)
  5. 面向对象设计模式的核心法则 (阅读 4,345)
  6. PHP内核介绍及扩展开发指南―类和对象 (阅读 4,006)
  7. 对象的消息模型 (阅读 3,587)
  8. [Java基础教程]第十一章-Java类和对象 (阅读 3,423)
  9. jQuery之jQuery方法总是返回jQuery对象 (阅读 3,325)
  10. 细说JavaScript中对象的属性和方法 (阅读 3,022)