如何为C语言添加一个对象系统

为C语言添加OO能力的尝试从上世纪70年代到现在一直没有停止过，除了大获成的C++/Objective-C以外，还有很多其它的成功案例，比如GTK在libg中实现了一个对象系统，还有前几年一个OOC，以及很多用宏实现的所谓轻量级OO系统。上周在网上发现了又一个自称为OOC系统，我决定总结一下这方面的内容。

大部分面向对象系统可以分成两类，一类是基于原型的设计，类似javascript；另一类是基于类模板的设计，比如C++/Java。当然，这不是绝对化，近几年，在很多动态语言实现中，有很多混搭的实现，例如Dart。因为有C++的例子，基于类模板的对象系统可能对C语言程序员更自然一些，我们以此为例。这个系统要改成一个基于原型的系统也非常简单。

对象系统中最核心的概念当然是对象。对象在C语言中没有直接的对应成份（没有内置于语言），我们可以选择这么几种来表示对象，一是无类型的指针，二是结构体指针，三是表示为int的ID。从本质上来看，这些并没有区别，无非是语法上简洁和复杂。我们选择一个结构指针类型struct object*来表示对象.

对象之间的消息传递，对于C/C++等命令式语言（相对于函数式语言）来说，都对应于一个函数调用。像C++语言一样，我们可以定义一个虚表；也可以像Objective-C一样定义一个消息转发链。从实际效果上来说，都有以下过程：

struct object* a;

member_function* pf = find_function(a, the-function-id);

pf(a, other-param);

以上伪代码合并成一行调用，我们定义一个向对象a发送为function_id的消息，使用如下语法：

interface(a)->function_id(a, other-param);

这里引入了一个概念interface（接口），接口是一组消息的集合，对象可以接受的消息由它实现的接口定义，发送消息即变成取得相应接口，并调用接口上的函数。这个设计综合了虛表和消息转发链的设计，比较接近于COM中的接口概念。接口以类似虚表的形式定义：

struct XXX_interface {

  struct object* kclass;

  int (*XXX_function)(struct object* this_object, other-param);

  …

};

接口实际上暗示了我们的实现是对象->接口表->接口->类（运行时信息）。借用下图，左侧蓝色为对象，这两个对象是属于同一个类，它有一个成员_vtab指向右侧黄色的一个虛表或者说是接口表，接口表有一个成员_class指向相应的类数据。接口表和类数据注册到类型系统中，而对象由用户分配内存。

有了接口概念我们可以实现接口继承，但实现继承需要另一个机制，我们不打算像C++选择多重继承，而是直接选择更为直接的Mixup（混入）方式。我们可以通过在类型构造时直接调用mixup，传入类型对象和mixup结构。

这里我们会遇到为C语言添加OO支持最大的困难，我们没有办法在编译期添加特性，比如构造类/生成指针表/混入实现，我们只能选择在运行时添加一个class_init，类型初始化函数。这个问题带来了两个不足之处，一是有很多记簿的工作需要程序员完成；二是无法实现静态对象。每个类型需要这样一个初始化过程：

struct klass XXXClass = {

};

void XXX_init() {

   declare(&XXXClasss, &baseClass); 

   XXXClasss.init = XXX_init;

  …

   struct XXX_interface i* = implement(&XXXClasss, &XXX_interface)

   i->function_id = some_implement_function;

   …

   mixup(&XXXClass, &XXX_mixup);

   …

   register(&XXXClass);  

}

这里用到一个struct klass结构，它的作用是记录对象的相关信息，主要内容如下：

struct klass {

int id;

char* name;

size_t object_size;

struct klass* parent;

size_t itable_size;

struct itable* itables;

void                (* init) ( Class this );                        /* class initializer */
void                (* ctor) (Object self, const void * params );    /* constructor */
void                (* dtor) (Object self, Vtable vtab);            /* destructor */
int                   (* copy) (Object self, const Object from);         /* copy constructor */
};

当Declare这个对象时，系统开始记录它的id/name并计算object_size。后面一系列代码用于初始化基本的函数指针和接口表指针。最后Register这个类到系统中，用于动态类型查找。每个类这些记簿式的代码非常类似。

前面用到的interface(a)这个函数就是通过遍历itables来找到对应的接口虛表，接口表有反向指针指回类说明，因此可以通过一个接口来查询其它接口。

在main函数的开始部分，需要对整个对象系统手动初始化，这可以说是一段非常不人道的代码：

int main() {

  object_system_init();

  XXX_init();

  XXX2_init();

…

}

虽然我们可以声明一个数组来完成对各个init函数的自动调用，但这个声明过程依然非常不人道。要得到对程序员比较友好的过程，我们需要通过一个额外的源代码分析过程，自动生成上面class_init函数，以及system_init过程。

分配一个对象，事实上只需要三步，一是找到对应的类型，二是分配空间，三是设置虚表指针。第一步，可以直接使用全局的静态struct kclass对象，也可通过查找函数find_class("class name")来完成。第二步这步分配空间，可以由用户完成，只需要下一步调用object_new_at(user_space, class)。如果使用系统分配空间即可由object_new一次完成二、三两步。

//用户分配

struct klass XXXClasss;

void* ptr = malloc(XXXClass.object_size);

object_new_at(ptr, &XXXClass);

//系统分配

struct object* ptr = object_new(&XXXClass);

在对象初始化过程中，object_new会调用构造函数，也就是kclass中的init函数，相应的destructor/copy等函数也会在对应的object_destroy/object_copy过程中调用。

以上基本构造了一个简单的对象系统核心，我们如果再补充一些错误处理、内存管理以及多线程处理，一个小型而完整的对象系统就构造出来了，但它最大问题还是语法复杂度比较高。虽然我们可以使用宏来优化语法，但效果不如人意，同时还带来了理解上的困难。

在一些简单的应用中，并不需要这样一个复杂而完整的对象系统，我们更简单的抽象甚至更好一点。一个对象可以表示如下，vtable可以指向一个函数如f(void* data);

struct object {

    void* vtable;

    void* data;

};

构造和析构函数都专用函数XXX_new和XXX_destroy即可。