用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)類封裝的研究

楊 韜

(廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司，廣東 廣州 510660)

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用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)類封裝的研究

楊 韜

(廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司，廣東 廣州 510660)

多年以來(lái)，C語(yǔ)言在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中被廣泛使用，但由于開(kāi)發(fā)人員和應(yīng)用場(chǎng)景等原因，面向?qū)ο?、設(shè)計(jì)模式等優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)方法始終沒(méi)有很好地運(yùn)用起來(lái)。時(shí)至今日，物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的興起，給嵌入式軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)的面向過(guò)程開(kāi)發(fā)已經(jīng)難以支撐這些復(fù)雜的應(yīng)用。因此，有必要在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中引入面向?qū)ο?、設(shè)計(jì)模式等優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)方法。面向?qū)ο笫乾F(xiàn)代軟件方法的根基，面向?qū)ο篌w現(xiàn)在類上，而封裝為類的第一大特性。文章以類的封裝特性為切入點(diǎn)，結(jié)合C語(yǔ)言的特性，討論了C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)類封裝的方法，并給出了實(shí)例。

C語(yǔ)言；面向?qū)ο?；類；封裝

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的興起，給嵌入式軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)的面向過(guò)程開(kāi)發(fā)已經(jīng)難以支撐這些復(fù)雜的應(yīng)用。因此，有必要在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中引入面向?qū)ο?、設(shè)計(jì)模式等優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)方法。本文首先介紹了面向?qū)ο蟊匾幕靖拍?，然后引入了UML類圖，通過(guò)使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)Human類，討論了如何使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)類的封裝特性，并給出了對(duì)應(yīng)的分析。

1 基本概念

1.1 對(duì)象[1]

對(duì)象是人們要進(jìn)行研究的任何事物，從最簡(jiǎn)單的整數(shù)到復(fù)雜的飛機(jī)等均可看作對(duì)象，它不僅能表示具體的事物，還能表示抽象的規(guī)則、計(jì)劃或事件。

對(duì)象具有狀態(tài)，一般用數(shù)據(jù)值來(lái)描述它的狀態(tài)。

對(duì)象還有操作，用于改變對(duì)象的狀態(tài)，對(duì)象及其操作就是對(duì)象的行為。

對(duì)象實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和操作的結(jié)合，使數(shù)據(jù)和操作封裝于對(duì)象的統(tǒng)一體中。

1.2 面向?qū)ο?/p>

簡(jiǎn)而言之，面向?qū)ο缶褪前芽陀^存在或主觀抽象的事物(即對(duì)象)抽象成類。

所謂抽象就是去異求同，從眾多的事物(即對(duì)象)中抽取出共同的、本質(zhì)性的特征，舍棄其非本質(zhì)的特征。比如香蕉、蘋(píng)果、哈密瓜等，它們共同的特性就是水果。得出水果概念的過(guò)程就是一個(gè)抽象的過(guò)程。在抽象時(shí)，同與不同，取決于從什么角度上來(lái)抽象。抽象的角度取決于分析問(wèn)題的目的。

具有相同特性(數(shù)據(jù)元素)和行為(功能)的對(duì)象的抽象就是類。因此，對(duì)象的抽象是類，類的具體化就是對(duì)象，也可以說(shuō)類的實(shí)例是對(duì)象。

1.3 類

面向?qū)ο笥腥筇匦裕悍庋b、繼承、多態(tài)，這些特性主要通過(guò)類來(lái)體現(xiàn)。類就是一個(gè)封裝了屬性以及相關(guān)操作的代碼的邏輯實(shí)體。

類具有屬性，它是對(duì)象的狀態(tài)的抽象，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述類的屬性。

類具有方法，它是對(duì)象的行為的抽象，用方法名和實(shí)現(xiàn)該操作的方法來(lái)描述。

除了封裝屬性和操作外，類還具有訪問(wèn)控制的功能，比如，某些屬性和方法可以是私有的，不能被外界訪問(wèn)，通過(guò)訪問(wèn)控制，能夠?qū)?nèi)部數(shù)據(jù)提供不同級(jí)別的保護(hù)，以防止外界意外地改變或使用了私有部分。不同的編程語(yǔ)言提供的訪問(wèn)控制等級(jí)不盡相同，但都有公有、私有兩個(gè)等級(jí)。

類是抽象的數(shù)據(jù)類型，在內(nèi)存中并不存在(Python等動(dòng)態(tài)語(yǔ)言除外)，只有類的實(shí)例存在于內(nèi)存中。

2 UML類圖

在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，通常使用UML工具來(lái)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。比如，可以使用UML類圖來(lái)描述類。

UML類圖很簡(jiǎn)單，用一個(gè)矩形框代表一個(gè)類，矩形框內(nèi)部被隔為三部分：上面部分為類的名字，中間部分為類的屬性，下面部分為類的方法。對(duì)于屬性和方法，還可以使用“+”、“-”修飾符來(lái)表示訪問(wèn)權(quán)限，“+”為公有屬性、“-”為私有屬性。

如圖1所示，該類圖描述了一個(gè)名為“Human”的類?！癏uman”類抽象并封裝了“人”；屬性“name”是對(duì)人姓名的抽象，因?yàn)槿说男彰枪_(kāi)的，所以被設(shè)置為公有屬性；屬性“money”是對(duì)人所擁有的財(cái)富的抽象，因?yàn)槊總€(gè)人的財(cái)富都不是公開(kāi)的，所以被設(shè)置為私有屬性；方法“buy”是對(duì)購(gòu)物這一行為的抽象，方法“talk”是對(duì)講話這一行為的抽象，這兩個(gè)方法都是社會(huì)活動(dòng)，所以被設(shè)置為公有屬性。

圖1 Human類圖

設(shè)計(jì)類的過(guò)程就是抽象的過(guò)程，抽象的結(jié)果取決于抽象時(shí)所站的角度，比如，如果是警察來(lái)抽象“Human”，他可能會(huì)添加一個(gè)“isBadGuy”屬性。

UML類圖主要用于輔助分析和設(shè)計(jì)階段，在設(shè)計(jì)類時(shí)應(yīng)聚焦在與當(dāng)前問(wèn)題有關(guān)的重要屬性和行為，無(wú)關(guān)的屬性和方法統(tǒng)統(tǒng)去掉，確保UML類圖是簡(jiǎn)潔有效的。除非私有屬性或方法會(huì)影響到問(wèn)題的理解或者類的實(shí)現(xiàn)，否則UML類圖中不要出現(xiàn)私有屬性和方法，私有屬性通常在實(shí)現(xiàn)階段才會(huì)去考慮。

UML類圖以及其他UML元素都是輔助軟件開(kāi)發(fā)的工具，使用UML進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只要相關(guān)人員能夠通過(guò)UML圖看懂你的設(shè)計(jì)、不妨礙溝通就可以了，即使用草稿紙來(lái)作圖也是可以的，所以，不用太過(guò)糾結(jié)那些細(xì)節(jié)，且一定要避免過(guò)度設(shè)計(jì)。

3 C語(yǔ)言的類封裝實(shí)現(xiàn)

很多現(xiàn)代編程語(yǔ)言都有原生的面向?qū)ο笾С?，比如C++、JAVA、Python等，這些編程語(yǔ)言提供了class數(shù)據(jù)類型，在這些編程語(yǔ)言中類實(shí)際上就是一種數(shù)據(jù)類型，因此能夠更好地支持面向?qū)ο缶幊獭?/p>

實(shí)際上，面向?qū)ο笫桥c編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)的，更像是一種思想，且不局限于軟件開(kāi)發(fā)活動(dòng)，任何需要分析解決問(wèn)題的場(chǎng)合都可以使用面向?qū)ο蟆?/p>

C語(yǔ)言并沒(méi)有類的概念，但是可以從類的特性出發(fā)，利用C語(yǔ)言的某些特性來(lái)實(shí)現(xiàn)類的用法。關(guān)于類，首先要解決的就是封裝問(wèn)題，類的封裝特性需要能夠封裝屬性和方法，還要有訪問(wèn)控制。可以使用.h、.c文件和結(jié)構(gòu)體來(lái)完成封裝。

下面以圖1中Human類的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)為例來(lái)敘述C語(yǔ)言的類封裝問(wèn)題，本文使用human.h、human.c、struct human三個(gè)元素來(lái)完成封裝，human.c為human.h中函數(shù)聲明的實(shí)現(xiàn)，本文不討論這些細(xì)節(jié)，所以只給出human.h的關(guān)鍵代碼片段，如下所示：

typedef struct human {

const char *name;

int _money;

} human_t;

human_t *human_init (human_t *p_this, const char *name, int money);

void human_talk (human_t *p_this, const char *p_words);

void human_buy (human_t *p_this, const char *p_something, unsigned price, unsigned count);

void human_deinit (human_t *p_this);

(1)類名

Human類的名稱體現(xiàn)在human.c、human.h以及human.h中所有全局符號(hào)的命名上，這些命名全部使用關(guān)鍵字human作為前綴。

(2)屬性

Human類的屬性體現(xiàn)在自定義類型human_t中，human_t實(shí)際上為結(jié)構(gòu)體struct human，它有兩個(gè)成員：name和_money，分別對(duì)應(yīng)類圖中的屬性+name和-money，特別留意_money成員前的“_”，這是為了警示類的使用者“此成員為私有屬性，不可使用”。

(3)方法

Human類的方法體現(xiàn)在human_talk()、human_buy()這兩個(gè)函數(shù)上，分別對(duì)應(yīng)類圖中的方法+buy()和+talk()。此外，還可以注意到有human_init()、human_deinit()這兩個(gè)函數(shù)，分別為Human類的構(gòu)造、析構(gòu)方法。構(gòu)造、析構(gòu)方法分別用于類對(duì)象的初始化和解初始化。

構(gòu)造函數(shù)human_init()需要用戶提供Human對(duì)象的內(nèi)存，通過(guò)第一個(gè)參數(shù)p_this傳遞，對(duì)象的內(nèi)存等價(jià)于一個(gè)human_t變量。

C語(yǔ)言中可以使用C文件中的static函數(shù)實(shí)現(xiàn)私有方法，假如Human類有私有方法money_pay()，則其C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)如下：

// human.c

static int __human_money_pay (human_t *p_this, unsigned cost)

{ … }

UML類圖中一般不會(huì)顯式地出現(xiàn)構(gòu)造、析構(gòu)和私有這三種方法，除非需要在類的構(gòu)造、析構(gòu)和實(shí)現(xiàn)上有特殊說(shuō)明。

另外需要注意的是，這幾個(gè)方法函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)都是human_t *類型，且名稱為p_this，這是C語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊膛c面向過(guò)程的最大不同：p_this為指向類實(shí)例(即對(duì)象)的指針，所有的方法操作都需要“針對(duì)”一個(gè)對(duì)象，p_this指針由類的構(gòu)造函數(shù)返回，比如，human_init()構(gòu)造一個(gè)Human實(shí)例，然后返回指向此實(shí)例的p_this指針，然后就可以調(diào)用human_talk(p_this, …)等方法對(duì)實(shí)例進(jìn)行操作。

(4)訪問(wèn)控制

在Human類的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)中，屬性被定義為human_t中的兩個(gè)成員，而 human_t被定義在用戶可見(jiàn)的human.h中，所以human_t是暴露給用戶的，因此，從語(yǔ)法上講，Human類的兩個(gè)屬性是暴露給用戶的，即都是公有屬性。雖然語(yǔ)法上不能支持私有，但可以在編程規(guī)范上設(shè)定“私有屬性以短下劃線“_”開(kāi)頭”，比如“_money”，如此從某種意義上實(shí)現(xiàn)了屬性的訪問(wèn)控制。

在Human類的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)中，方法被定義為human.c中的函數(shù)。公共方法對(duì)應(yīng)的函數(shù)都沒(méi)有“static”關(guān)鍵字，且在human.h中有對(duì)應(yīng)的函數(shù)聲明。而私有方法對(duì)應(yīng)的函數(shù)都有“static”關(guān)鍵字，這些私有方法只能在human.c文件內(nèi)部調(diào)用，對(duì)用戶不可見(jiàn)。由此可知，C語(yǔ)言本身就能支持方法的訪問(wèn)控制。

4 結(jié)論

本文通過(guò)使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一個(gè)Human類，討論了如何使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)類的封裝特性。在C++等面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中，使用class對(duì)類做了原生的支持，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單。盡管C語(yǔ)言并不是原生支持類，但通過(guò)語(yǔ)言、概念、規(guī)范上的處理，也能實(shí)現(xiàn)類的封裝特性。用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)類的封裝相當(dāng)于解決了C面向?qū)ο蟮年P(guān)鍵第一步，在其基礎(chǔ)之上可以引入更多現(xiàn)代軟件方法。

[1] 百度. 百度百科/面向?qū)ο骩EB/OL].[2016-08-08].http://baike.baidu.com/link?url=6XlXEOSlrKn87S7SJv4UW SX7EjstoDVm-wJ13OAod-XUrUrnZkVg3ntPFir-Ey5c6mqObZZ OevQI6K3Ungq1Mq．

Research on the implementation of class encapsulation with C-language

Yang Tao

(Guangzhou Zhiyuan Electric Co. Ltd. , Guangzhou 510660, China)

For many years, C-language is widely used in embedded software development, but because of the developers and application scenarios and other reasons, object-oriented, design patterns and other outstanding software development methods have not been well used. Today, the development of Internet of Things and other applications, has brought new challenges to the development of embedded software, and the traditional process-oriented development has been difficult to support these complex applications. Therefore, it is necessary to introduce object-oriented, design patterns and other excellent software development methods in embedded software development. Object oriented method is the foundation of modern software, object-oriented is embodied in the class, encapsulation is the first major characteristic. In this paper, the characteristics of encapsulation as the starting point, combined with the characteristics of C-language, the method of C-language encapsulation is discussed, and an example is given.

C-language; object-oriented; class; encapsulation

TP312

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.007

楊韜. 用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)類封裝的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(21)：24-25，29.

2016-09-01)

楊韜(1986-)，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、軟件工程、軟件方法。