ANSI-C實現(xiàn)面向對象編程及應用

趙 輝，屈 雷

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048）

C語言是在國內外廣泛使用的一種高級編程語言[1]。其功能豐富、使用靈活方便、目標程序效率高、可移植性好，既具有高級語言的優(yōu)點，又具有低級語言的諸多特性。因此，C語言特別適合用于編寫系統(tǒng)軟件[2]，其中著名的Linux/Unix操作系統(tǒng)就是用C語言編寫而成的[3]。

一般來說，C語言是以面向過程的方式進行編程的，用來編寫功能復雜的軟件是比較困難的[4]。而Linux/Unix操作系統(tǒng)卻是使用C語言編寫，并與面向對象程序設計的思想相結合[5]，提升了C語言的簡潔性、易讀性和重復使用性，進而提高了系統(tǒng)分析及結構設計的能力[6]。這一例子說明，C語言其實也可以像C++一樣以面向對象的方式進行編程。

本文將通過電子書軟件來具體分析，如何使用面向對象編程中的一些機制來實現(xiàn)C語言的面向對象設計。

1 面向對象中各種機制

當人們提到面向對象的編程語言，首先想到的會是C++。在1985年以前，C++的名字是“C with Class”，從名字上可以看出C++最突出的特征就是類（Class）；從另一種角度可以看出C++是C語言的有效擴充[7]。所以使用ANSI-C進行面向對象的編程，最基礎的是類機制，而且還需要其他機制的支持。

1.1 類機制

“Class”是很多面向對象編程語言里定義類的關鍵字，它來源于最早的編程語言——smalltalk。類是一群具有共同屬性的對象，說明了這群對象所具有的特征和行為。在程序中，數(shù)據表示對象的特征，函數(shù)表示對象的行為[4]。

類可以理解為用戶定義的一種新的數(shù)據類型，就像是“short”這樣的內置類型一樣。內置類型已經有了一套完善的操作（如算數(shù)運算等），類機制也必須規(guī)定他所定義的類也能夠進行操作，即對象的行為。在ANSI-C中并沒有關鍵字“class”，但是可以使用結構體（struct）來定義一種新的數(shù)據類型，從而實現(xiàn)類。在結構體定義里，使用變量來描述對象的特征，并使用函數(shù)指針來描述對象的行為。

1.2 組合機制

面向對象程序設計的主要優(yōu)點之一就是提供軟件元素的重用。它提供了幾種機制支持利用已有類來定義新類，新類可以獲得已有類的特征和行為，進而實現(xiàn)類的重用。本文實現(xiàn)了一種比較簡單的重用機制即組合。

組合（composition）表示的是兩個對象之間獲得一種包含關系，即一個對象包含或擁有另一個對象[8]。擁有其他對象的對象被稱為組合體，它所擁有的對象被稱為組件。這種關系在現(xiàn)實生活中是很普遍的：計算機包含處理器，書本包含文字等。組合使用ANSI-C實現(xiàn)是很簡單的。

1.3 封裝機制

封裝（encapsulation）是面向對象的另一個重要概念。就是把特征和行為包圍起來，對數(shù)據的訪問只能通過特定的接口。事實上，封裝就是用戶對信息的隱藏，保證了模塊具有較好的獨立性，使得程序維護修改較為容易。對應用程序的修改僅限于類的內部，因而可以將應用程序修改帶來的影響減少到最低限度[9]。

非 OOP（Object Oriented Programming）語言沒有完備的機制來實現(xiàn)封裝[6]。使用ANSI-C來實現(xiàn)封裝稍微有些復雜。本文使用單向鏈表實現(xiàn)了對類中所有實例化的對象進行封裝。

1.4 多態(tài)機制

多態(tài)（polymorphism）源于希臘語，意思的“多種形狀”。在OOP語言中多態(tài)是指相關對象具有不同的成員函數(shù)（函數(shù)原型相同），并且允許對象與適當?shù)某蓡T函數(shù)運行時進行動態(tài)綁定[6]。多態(tài)保證了軟件設計的重復使用。一般通過虛方法實現(xiàn)多態(tài)[10]。

一般情況下，我們使用ANSI-C編程，函數(shù)的原型是對應唯一的函數(shù)實現(xiàn)。而多態(tài)要求一個函數(shù)原型可以對應多個函數(shù)實現(xiàn)，這樣可以便于管理功能相似的模塊。如果前面提到的類機制、重用機制和封裝機制都已經使用ANSI-C實現(xiàn)，再要實現(xiàn)多態(tài)機制就是非常簡單的事情，使用函數(shù)指針抽象出統(tǒng)一的函數(shù)接口。

2 應用——電子書軟件設計

整個軟件使用了ANSI-C編寫，采用上文所提到的面向對象的實現(xiàn)方法，并進行模塊化分層設計。

2.1 電子書軟件需求

（1）支持多種字體編碼方式。文本文件一般有四種編碼方式：ANSI、Unicode、Unicode big endian、UTF-8。程序需要根據文本文件的編碼方式，自動選擇解碼函數(shù)。

（2）支持多種字體顯示方式。常用的字體顯示方式有GBK點陣和freetype矢量字體。程序需要根據字體設置，判斷使用哪種方式顯示文字。

（3）支持多種輸入方式。常見的輸入方式有鍵盤和觸摸屏。程序要根據鍵盤的輸入和觸摸屏的滑動，實現(xiàn)翻頁。

（4）支持多種設備顯示。程序在PC機上運行是，使用PC機的顯示器（CRT）。程序在ARM上運行時，使用ARM上的LCD顯示器。

2.2 軟件框架

根據電子書軟件需求，將整個軟件分3層。軟件的層次關系及各功能模塊構成如圖1所示。面向對象的實現(xiàn)方法主要體現(xiàn)為4個基本的底層功能模塊，每個模塊分別有幾種不同的實現(xiàn)方式。并由一個管理文件提供接口函數(shù)對不同的實現(xiàn)方式進行統(tǒng)一的操作。中間層為電子書頁面管理模塊，負責調用底層實現(xiàn)的接口函數(shù)實現(xiàn)了字體顯示和頁面操作以及相關的初始化。頂層為電子書管理模塊，負責調用中間層實現(xiàn)的相關數(shù)據管理成個程序。

2.3 軟件效果展示

（1）使用arm-linux-gcc工具鏈在Ubunut上編譯，在飛凌的ok6410開發(fā)板上運行，結果如圖2所示。

（2）首先在Ubunut上移植svgalib庫，其次使用gcc在Ubunut上編譯，最后在Ubunut上的tty控制臺運行程序。結果如圖3所示。

3 面向對象機制分析

電子書程序的代碼量比較大，無法全部分析。本文將針對設備顯示模塊進行詳細分析，具體如下。

圖1 在ARM的LCD上顯示的結果

3.1 類和組合機制分析

圖2 在ARM的LCD上顯示的結果

圖3 在PC機的CRT上顯示的結果

根據實驗需求，本程序可以在PC機的CRT上顯示，也可以在ARM的LCD上顯示。所以我們需要操作的對象就是CRT和LCD。我們能夠抽象出他們的共同特征和行為，得到一個具體類，使用結構體實現(xiàn)。具體代碼如下，這部分定義在disp_manager.h頭文件中：

其中T_Disp結構體是顯示器固有屬性的抽象，也是T_DispOpr類的一部分，這樣就可以簡單的實現(xiàn)ANSI-C中的類和組合機制。

3.2 類的實例化分析

根據上文產生的具體類，實例化為CRT和LCD對象，分別實現(xiàn)在crt.c和lcd.c文件中。一個C文件實現(xiàn)具體類的一個實例化，這樣的模塊化設計，使得程序進行添加和刪除模塊簡單方便，更容易維護。由于對具體類的實例化是非常相似的，本文只對LCD對象的實例化進行具體分析，代碼如下：

上面的代碼給出了3個函數(shù)聲明，具體的實現(xiàn)過程略。代碼中使用了“static”關鍵字，說明定義的是靜態(tài)函數(shù)和靜態(tài)變量。這些函數(shù)和變量只能在本文件中被調用，這也是實現(xiàn)封裝的基礎。那么上層的函數(shù)怎么調用這些靜態(tài)函數(shù)和靜態(tài)變量？

3.3 封裝機制分析

在lcd.c文件中需要有一個入口函數(shù)，以便實現(xiàn)其他文件對本文件中靜態(tài)函數(shù)和靜態(tài)變量的調用。代碼如下：

其中RegisterDispOpr()函數(shù)將g_tLCDOpr結構體的地址注冊到單向鏈表中。上層函數(shù)就是通過鏈表找到g_tLCDOpr結構體的入口地址，調用相關的函數(shù)及變量。實現(xiàn)了將具體類例化的對象封裝到鏈表中。這個函數(shù)是在disp_manager.c文件中實現(xiàn)，而在這個文件中還需要實現(xiàn)一些操作鏈表的通用函數(shù)，方便上層函數(shù)調用。

3.4 多態(tài)機制分析

在lcd.c文件中

/*LCD設備初始化函數(shù)*/

.DeviceInit =LCDDeviceInit,

在crt.c文件中

/*CRT設備初始化函數(shù)*/

.DeviceInit =CRTDeviceInit,

程序在調用這個兩個函數(shù)時，使用的是同一個接口 g_ptDispOpr-＞DeviceInit()，這就是多態(tài)的實現(xiàn)。程序先在鏈表中根據g_ptDispOpr-＞name查找，返回相應name的結構體的入口地址，進而就確定了g_ptDispOpr-＞DeviceInit()接口對應的是哪個具體的實現(xiàn)過程。

4 結論

如今嵌入式軟件應用愈來愈廣，軟件的質量決定了數(shù)碼產品的穩(wěn)定性和可靠性。本文的實現(xiàn)的這些機制對于嵌入式軟件編程是大有裨益。但是，對于大型的軟件系統(tǒng)來說，本文實現(xiàn)的這些機制是遠遠不夠的。可能還需要超類、繼承、內存泄漏檢測等機制的支持。

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