C语言面向对象编程

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 

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: 

struct usb_device;
struct usb_ctl;

struct usb_iobuf {
  int len;              /* data length in the buffer */
    unsigned char buf[USBEPFIFO_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 name[16];          /* 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 *ep[MAX_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： 

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： 

....
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： 

/**
 * 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： 

#define container_of(ptr, type, member) (            \
        (type *)( (char *)ptr - offsetof(type,member) ) )

为了便于说明，prefetch定义成： 

static inline void prefetch(const void *x) {;}

offsetof的一个简单版本： 

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

好了，让我们看看怎么用： 

struct my_data {
    int x;
    int y;
    struct list_head list;
}

/* 链表头 */
LIST_HEAD(my_listhead);

void my_function()
{
    ...
    /* 节点对象 */
    struct my_data *node_1 = (struct my_data *) malloc(sizeof(struct my_data));
    struct my_data *node_2 = (struct my_data *) malloc(sizeof(struct my_data));
    ...
    /* 加入链表 */
    list_add (node_1->list, &my_listhead);
    list_add (node_2->list, &my_listhead);
    ...
    /* 遍历链表 */
    struct my_data * node;
    struct list_head *pos;
    list_for_each (pos, &my_listhead) {
       node = list_entry (pos, struct my_data, list);
       ...
    }

其中最精彩的部分是遍历链表的表达方式： 
    list_for_each (...) { 
       ... 
    } 
这种表达方式另我想起了Ruby，C++ STL中的到处出现的iterator，和VB中的for each...in...next语句。 

从内部结构角度来看，Linux的list实现方式有点类似C++中的"组合类"——在需要放入链表的对象内部放入list类（struct list_head）。但是从遍历链表的时候，可以根据list指针得到包含list节点的对象指针来看，又有点超出了"组合类"的范畴。能否把 struct my_data看成继承了struct list_head呢？从内存映像来看倒有点像（C++子类对象的内存映像是父类对象的超级）。当然，这种强行联系完全没有必要，C就是C，何必去往C+ +套呢？C自有C的表达方式 :P