用C表达面向对象语言的机制——C#版

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用C表达面向对象语言的机制——C#版

我一直认为，面向对象语言是对面向过程语言的封装。如果是这样，那么就应该能够用C来模拟C#的代码风格，写出面向对象形式的代码。本文逐步展示了与C#对应的C代码是如何实现的。

1. 目标

面向对象语言的三大特性（封装、继承、多态）中，封装和继承的C版写法需要研究，而多态似乎不关乎新的写法。

所以本文就展示如何用C来模拟C#的封装、继承、虚方法、关键字as和interface的写法。

2. 封装字段和方法

例如如下的C#代码，写了一个典型的类。

class BaseClass
    {
        public int baseField1 = 0;

        public void BaseMethod1() 
        {
            Console.WriteLine("BaseClass.BaseMethod1()");
        }
    }

其典型的使用方式如下。

// create a BaseClass object
   BaseClass pBaseClassObj = new BaseClass();
   // use BaseClass object's field
   Console.Write("BaseClass obj : pBaseClassObj->baseField1({0})\n", pBaseClassObj.baseField1);
   // use BaseClass object's method            
   pBaseClassObj.BaseMethod1();

如果想用C来实现类似的使用方式，应该如何写呢？

1) 用struct代替class

用C的struct代替C#的class的字段

typedef struct _BaseClass
{
    int baseField1;

} BaseClass;

但是struct没有“在类型里面写方法”这种功能。我们用变通的方法来实现。

void BaseMethod1(BaseClass * pThis) 
{
    printf("BaseClass.BaseMethod1()\n");
}

就是说，每个方法都加上指向这个结构体的指针。

2) 用New[ClassName]代替new

一个class类型都有至少一个构造方法，是专门给new关键字用的。所以我们写一个C版的new方法。

BaseClass * NewBaseClass()
{
    // initialize base class
    // alloc for space
    BaseClass * pResult = (BaseClass * )malloc(sizeof(BaseClass));
    // initialize fields
    pResult->baseField1 = 0;
    // return result
    return pResult;
}

C版的New方法用malloc来申请内存空间，这样就把对象new到了堆上，和面向对象语言的处理方式相同。

其使用方法如下。

// create a BaseClass object
    BaseClass * pBaseClassObj = NewBaseClass();
    // use BaseClass object's field
    printf("BaseClass obj : pBaseClassObj->baseField1(%d)\n", pBaseClassObj->baseField1);
    // use BaseClass object's method
    BaseMethod1(pBaseClassObj);

与C#版的使用方法异曲同工。

3. 实现继承

在上文的BaseClass基础上，来展示如下代码的实现。

class DerivedClass : BaseClass
    {
        public int derivedField1 = 0;

        public void DerivedMethod1()
        {
            Console.WriteLine("DerivedClass.DerivedMethod1()");
        }
    }

 

3) 用组合代替继承

仍然用struct来代替class，但DerivedClass继承了BaseClass这一性质，如何实现呢？C语言虽然没有“继承”的概念，但是struct可以“组合”（与C#的组合概念一样），我们用一个BaseClass的指针来表示“继承”的概念。

用组合模拟继承的机制

 

在C 版的构造函数NewDerivedClass()里，首先构造了一个“基类”BaseClass的对象，然后赋值给DerivedClass对象的pBase指针。这里也符合面向对象语言“先调用父类的构造函数，再调用子类的构造函数”的特点。具体地说，是“首先，子类的构造函数调用父类的构造函数；然后，完成对父类构造函数的调用；最后，完成对子类函数的调用”。

子类的典型使用方式是：

// create a DerivedClass object
            DerivedClass pDerivedClassObj = new DerivedClass();
            // use DerivedClass object's field
            Console.Write("DerivedClass obj : pDerivedClassObj->derivedField1({0})\n", pDerivedClassObj.derivedField1);
            // use DerivedClass object's base class' field
            Console.Write("DerivedClass obj : pDerivedClassObj->baseField1({0})\n", pDerivedClassObj.baseField1);
            // use DerivedClass object's method
            pDerivedClassObj.DerivedMethod1();
            // use DerivedClass object's base class' method            
            pDerivedClassObj.BaseMethod1();

C版的DerivedClass使用方式，仍然与此类似。

// use DerivedClass object's field
    DerivedClass * pDerivedClassObj = NewDerivedClass();
    // use DerivedClass object's field
    printf("DerivedClass obj : pDerivedClassObj->derivedField1(%d)\n", pDerivedClassObj->derivedField1);
    // use DerivedClass object's base class' field
    printf("DerivedClass obj : pDerivedClassObj->baseField1(%d)\n", pDerivedClassObj->pBase->baseField1);
    // use DerivedClass object's method
    DerivedMethod1(pDerivedClassObj);
    // use DerivedClass object's base class' method 
    BaseMethod1(pDerivedClassObj->pBase);

这里可以看到，“子类”DerivedClass能够调用自身的字段和方法，也能够借助pBase指针调用父类的字段和方法，完全达到了面向对象语言的要求。

4) 用函数指针代替virtual

继承还有一个特性，就是虚方法。C语言如何做到呢？答案就是使用函数指针。

为展示清楚，我们重新定义两个类。

class VirtualClass
    {
        public virtual void VirtualMethod1()
        {
            Console.Write("VirtualClass.VirtualMethod1()\n");
        }
    }
    class OverrideClass : VirtualClass
    {
        public override void VirtualMethod1()
        {
            Console.Write("OverrideClass.VirtualMethod1()\n");
            //base.VirtualMethod1();
        }
    }

其典型的使用方式如下。

// create a VirtualClass object
    VirtualClass virtualClassObj = new VirtualClass();
    virtualClassObj.VirtualMethod1();
    // create a OverrideClass object
    OverrideClass overrideClassObj = new OverrideClass();
    overrideClassObj.VirtualMethod1();
    // OverrideClass object assigned to VirtualClass object
    VirtualClass pVirtualClass = new OverrideClass();
    pVirtualClass.VirtualMethod1();

其输出应该是：

VirtualClass.VirtualMethod1()
OverrideClass.VirtualMethod1()
OverrideClass.VirtualMethod1()

虚函数的关键性质，在于父类知道子类的override函数在哪儿，这只能在创建子类的时候，改变父类能够调用的函数。所以很自然就需要函数指针帮忙。按照上文的方法，在New[ClassName]创建父类的时候，让父类对象的函数指针指向父类的virtual方法。等父类对象创建完毕，继续创建子类对象的时候，修改父类对象的函数指针，使其指向子类的override方法。（这就要求父类和virtual方法和子类的override方法的声明完全相同）

其C版代码如下。

VirtualClass

 

OverrideClass

 

C版的使用方法如下。

// create a VirtualClass object
    VirtualClass * virtualClassObj = NewVirtualClass();
    virtualClassObj->pVirtual1(virtualClassObj);
    // create a OverrideClass object
    OverrideClass * overrideClassObj = NewOverrideClass();
    overrideClassObj->pBase->pVirtual1(overrideClassObj->pBase);
    // OverrideClass object assigned to VirtualClass object
    VirtualClass * pVirtualClass = NewOverrideClass()->pBase;
    pVirtualClass->pVirtual1(pVirtualClass);

其使用方式异曲同工，而输出和C#版是一样的。

如果基类有多个virtual方法，其声明相同，就可以使用函数指针数组；有几种不同声明的virtual方法，基类就要有几个函数指针（或数组）指着他们。

4. 用Convert2Type代替as

5) 使用关键字as

看如下的例子。

class FullClassBase
    {
    }
    class FullClassDerived : FullClassBase
    {
        public int fcdField1 = 0;

        public void fcdMethod1()
        {
            Console.Write("FullClassDerived.fcdMethod1()\n");
        }
    }

其使用方式如下。

FullClassBase baseObj = new FullClassDerived();
    FullClassDerived derivedObj = baseObj as FullClassDerived;
    if (null != derivedObj)
    {
        derivedObj.fcdMethod1();
    }

上一节展示了在C中，如何用父类的指针指向子类的对象。而这里的C#的关键字“as”将父类的指针还原为子类的指针，这是如何实现的？

答案：as可以用一个函数代替。函数名叫做Convert2Type（随便你喜欢什么名字）。as的本质就是一个函数。

我们要做的是：已知一个对象的指针，已知要转换出来的目标类的类型，求出该对象指向目标类的指针。若不存在，则返回NULL。

我们需要一些准备工作。

6) 准备类型标识结构

1

每个类型都要有一个标识符（用int即可），用以区分不同的类型

2

基类对象要有一个指向子类对象的指针，由于子类可能有多种，显然只能用void *类型

每一个类型都要记录父类指针、子类指针、唯一标识符等内容。另外，Convert2Type函数只能有一个声明，不可能把所有类型的指针都传给他。为了给他尽可能多的数据，我们需要将类型的父类指针、子类指针、唯一标识符等信息封装为一个单独的struct Metadata。具有继承关系的类型，其Metadata对象也相互指向。这样，Metadata就包含了描述全部继承关系的数据。

typedef struct _Metadata Metadata

 

为方便说明Convert2Type的实现原理，我们再定义C版的FullClassBase和FullClassDerived。

FullClassBase in C

 

FullClassDerived in C

 

现在，Metadata持有父类、自身、子类的信息，将其作为参数传入Convert2Type函数，是足够找到目标类型的。

7) 实现Convert2Type

Convert2Type

 

C版的使用方式如下。

FullClassBase * baseObj = (FullClassBase *)(NewFullClassDerived()->metaInfo->pBaseIdentifier->pThis);
    FullClassDerived * derivedObj = (FullClassDerived *)Convert2Type(baseObj->metaInfo, FullClassDerivedTypeId);
    if (NULL != derivedObj)
    {
        fcdMethod1(derivedObj);
    }

关键字“as”通过Convert2Type函数和一个C语言的强制类型转换实现了。

5. 用链表代替interface

C#中的一类可以实现多个interface，这在C中如何表达？

答案是：首先，interface也用struct代替。Interface只不过是一个特殊的类类型，其内部字段都是函数指针。C#的类实现interface，实际上仍然是继承了这个interface类型。这和继承父类类型没有区别。但一个类可以实现多个interface，这就需要用链表来记录这些interface了。

8) 创建链表类型LinkNode

typedef struct _LinkNode LinkNode

其中的void * pValue;用于保存这个类型实现的接口的Metadata。

9) 为Metadata添加用于记录interface的链表指针

新的Metadata

 

10) 修改Convert2Type函数

新的Convert2Type函数

 

11) 验证

下面就来验证一下。

我们创建一个interface类型，让FullClassBase实现他。

interface InterfaceClass
    {
        void Method4InterfaceClass();
    }
    class FullClassBase : InterfaceClass
    {
        public void Method4InterfaceClass()
        {
            Console.Write("FullClassBase.Method4InterfaceClass()\n");
        }
    }

对应的C代码如下。

typedef struct _InterfaceClass
{
    Metadata * metaInfo;
    void (*pInterfaceMethod1)(_InterfaceClass *);
} InterfaceClass;

static int InterfaceClassTypeId = 6;

InterfaceClass * NewInterfaceClass()
{
    InterfaceClass * result = (InterfaceClass *)malloc(sizeof(InterfaceClass));
    
    result->metaInfo = NewMetadata(result, InterfaceClassTypeId, NULL);
    result->pInterfaceMethod1 = NULL;

    return result;
}
typedef struct _FullClassBase
{
    // basic info
    Metadata * metaInfo;
    // fields

    // virtual methods

} FullClassBase;

// type id
static int FullClassBaseTypeId = 4;

// method declarations
void Method4InterfaceClass(InterfaceClass * pInterfaceClass);

// the new method
FullClassBase * NewFullClassBase()
{
    // alloc for space
    FullClassBase * pResult = (FullClassBase *)malloc(sizeof(FullClassBase));

    // initialize basic info
    pResult->metaInfo = NewMetadata(
        pResult, 
        FullClassBaseTypeId, 
        NULL); 
    InterfaceClass * interfacePart = NewInterfaceClass();
    interfacePart->metaInfo->pDerivedIdentifier = pResult->metaInfo;
    interfacePart->pInterfaceMethod1 = Method4InterfaceClass;
    LinkNode * nextNode = NewLinkNode();
    nextNode->pValue = interfacePart->metaInfo;
    pResult->metaInfo->pInterfaceList->pNext = nextNode;
    // initialize fields

    // initialize virtual methods

    // return result
    return pResult;
}

void Method4InterfaceClass(InterfaceClass * pInterfaceClass)
{
    printf("FullClassBase.Method4InterfaceClass()\n");
}

C#版的使用方式如下。

FullClassBase obj = new FullClassBase();
    obj.Method4InterfaceClass();
    InterfaceClass interfaceObj = obj as InterfaceClass;
    interfaceObj.Method4InterfaceClass();

对应的C版代码的使用方式如下。

FullClassBase * obj = NewFullClassBase();
    Method4InterfaceClass((InterfaceClass *)Convert2Type(obj->metaInfo, InterfaceClassTypeId));
    InterfaceClass * interfaceObj = (InterfaceClass *)Convert2Type(obj->metaInfo, InterfaceClassTypeId);
    Method4InterfaceClass(interfaceObj);

 

12) 关于interface的性质

有了interface以后，实际上就是出现了“多继承”。

一个接口可以被多个类型继承，所以C版代码里，interface里的函数指针类型的第一个参数只能是interface本身。即：一个类型A，实现了interface X里的方法，就意味着这个方法的第一个参数类型变成了X的指针（而不再是A的指针）。

基于这样的C版设计，在调用接口函数时，一定会发生类型转换（调用Convert2Type函数）。

所以，如果在interface里的方法，需要用this指针的时候，会发生从X的指针到A的指针的类型转换。

6. 虚函数与接口与多次继承

如果接口的方法在基类里标记为virtual，并且在子类和孙类里都override了，会怎么样？

虚函数与接口与多次继承

 

对于这样的情况，下面的情形会输出什么？

VirtualAndInterfaceDerived2 obj = new VirtualAndInterfaceDerived2();
    VirtualAndInterfaceBase baseObj = obj;
    VirtualAndInterfaceInterface interfaceObj = obj;
    obj.InterfaceMethod();
    baseObj.InterfaceMethod();
    interfaceObj.InterfaceMethod();

答案是三行“VirtualAndInterfaceDerived2.InterfaceMethod()”，即全部调用了最后override的方法。就是说，转换出来的C代码中，除了基类的virtual方法的函数指针外，接口对象的函数指针也要修改为指向最后override的函数。

这又带来一个问题。如果我们定义一个新的接口。

interface VirtualAndInterfaceInterface2
    {
        void InterfaceMethod();
    }

这个新接口和VirtualAndInterfaceInterface所拥有的方法声明相同。现在让VirtualAndInterfaceDerived2实现这个接口。

class VirtualAndInterfaceDerived2 : VirtualAndInterfaceDerived, VirtualAndInterfaceInterface2
    {
        public override void InterfaceMethod()
        {
            Console.WriteLine("VirtualAndInterfaceDerived2.InterfaceMethod()");
        }
    }

我们发现无需其他改动即可编译。

根据之前的结论，在C版代码中，接口类型的函数指针的第一个参数类型只能是接口类型本身。这也使得class类型的C版类型中，其函数类型的第一个参数只能是接口类型。但是在这个例子里，InterfaceMethod方法同时成为VirtualAndInterfaceInterface和VirtualAndInterfaceInterface2的方法。那么InterfaceMethod的第一个参数类型就无从选择了。

为解决这个问题，我们重新审视接口的定义。在C版代码中，InterfaceMethod第一个参数类型，就应该是接口本身，这无法改变。实现了此接口的类类型，应该单独为InterfaceMethod添加一个声明和InterfaceMethod相同的函数，以满足该接口的需要。在类类型里的InterfaceMethod，借助Convert2Type函数，直接调用自己内部的InterfaceMethod函数。

C版的代码如下。

VirtualAndInterfaceInterface

 

VirtualAndInterfaceInterface2
VirtualAndInterfaceBase

 

VirtualAndInterfaceDerived

 

VirtualAndInterfaceDerived2

简单来说，类型C实现了接口IC，那么，C就要为IC的各个函数分别创建声明完全相同的函数，这些函数通过Convert2Type得到需要的类型指针，再调用C内部的函数。

7. public、protected和private

这三个关键字用C是无法实现的，他们是面向对象语言在编译器进行语义分析时进行处理的。如果不符合规定（例如类型外调用了private的字段），编译器就报错，不给你生成代码。仅此而已。

8. 结论

我们规定：

CA表示基类，CA实现的接口为ICA1，ICA2，。。。
CB继承自CA，CB实现的接口为ICB1，ICB2，。。。
CC继承自CC，CC实现的接口为ICC1，ICC2，。。。
某类型X包含的字段为XF1，XF2，。。。
某类型X包含的方法为XM1，XM2，。。。

那么，可以用如下规则将C#代码翻译为C代码。

类型X用struct代替，X中的字段用相应的字段代替；X中的方法用以X的指针为第一个参数的函数代替。

为X添加一个Metadata结构体的指针，用于记录X的实例的信息：基类实例、子类实例、接口实例（链表）、类型编号、实例本身。

为Metadata编写Convert2Type函数，返回给定实例关联的目标类型的实例。

为X分配一个唯一的整数作为类型编号。

为X编写NewX函数，返回X的实例。

CB的NewCB函数，

先创建CA的实例，

然后创建ICB1、ICB2。。。的实例，

然后创建CB的实例，

然后修改CA实例的子类实例指针（指向CB实例），

然后修改ICB1、ICB2。。。的函数指针（指向CB的函数），

然后修改CA中virtual方法的函数指针（指向CB的函数），若此virtual方法也是ICAn的方法，也要修改ICAn的函数指针（指向CB的函数）。

最后强调一下容易混淆的地方。

CA中的virtual方法，在CB中可以override掉，然后还可以继续在CC中override掉。（而不是不可以继续override）其函数指针指向最后override的方法。

CA中的virtual方法，如果恰好也是ICA1中的方法，则ICA1中的函数指针也要指向最后override的方法。（而不是CA中的virtual方法）

2016-05-15

感想

至此，本文展示了面向对象语言中的class、new、virtual/override、as、interface等关键字的实现机制，展示了将C#翻译为C的方法。

很早就在想，面向对象语言到底是如何实现的。封装还简单，用struct代替class即可。继承的虚函数特性，只听过是通过“晚绑定”实现的，然后就找不到其他资料了。这几天趁国庆假期好好想了想，边想边做，用C实现了面向对象的语言特性，也证实了“面向对象语言是对面向过程语言的封装”这句话。

现在有了把面向对象语言的代码翻译为面向过程语言的代码的途径。这让我开始反思，为什么要把C封装为面向对象语言？面向对象语言是如何从无到有的？最开始的那个人是怎么设计出这样一套机制的？他之前没有面向对象的任何概念，他的思路是什么？

最后贴上自己总结的一段话。

机器语言（01串）是对数字电路的计算和控制逻辑的封装，人可以用打孔纸带来控制计算机。汇编语言（指令代码）是对机器语言的封装，人可以用易于理解、记忆和维护的名称来（间接）写机器语言。面向过程语言（例如C）是对汇编语言的封装，人可以用模块化的设计思路编写代码。面向对象语言（例如C#）是对面向过程语言的封装，人可以用模拟现实世界的思路编写代码。

点此下载源代码。

posted @ 2013-10-08 11:14  BIT祝威  阅读(5511)  评论(24)  编辑  收藏  举报