用C語言實現類實例化的研究

楊 韜

(廣州致遠電子股份有限公司，廣東 廣州 510660)

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用C語言實現類實例化的研究

楊 韜

(廣州致遠電子股份有限公司，廣東 廣州 510660)

多年以來，C語言在嵌入式軟件開發中被廣泛使用，但由于開發人員和應用場景等原因，面向對象、設計模式等優秀的軟件開發方法始終沒有很好地運用起來。時至今日，物聯網等應用的興起，給嵌入式軟件開發帶來新的挑戰，而傳統的面向過程開發已經難以支撐這些復雜的應用。因此，有必要在嵌入式軟件開發中引入面向對象、設計模式等優秀的軟件開發方法。面向對象是現代軟件方法的根基，面向對象體現在類上，使用類來創建對象的過程就是實例化。文章結合C語言的特性，對使用C語言實現類實例化進行了討論。

C語言；面向對象；類；實例化

0 引言

物聯網等應用的興起，給嵌入式軟件開發帶來新的挑戰，而傳統的面向過程開發已經難以支撐這些復雜的應用。因此，有必要在嵌入式軟件開發中引入面向對象、設計模式等優秀的軟件開發方法。本文討論了如何使用C語言來實現類的實例化。在C++等面向對象語言中對類做了原生的支持，使用new這類關鍵字即可實例化一個對象。盡管C語言并不支持new，但是通過對實例化過程的分析和拆分，也能實現實例化。

1 基本概念[1]

1.1 類

面向對象有封裝、繼承、多態三大特性，這些特性主要通過類來體現。類就是一個封裝了屬性以及相關操作的代碼的邏輯實體。

類具有屬性，它是對象的狀態的抽象，用數據結構來描述類的屬性。

類具有方法，它是對象的行為的抽象，用方法名和實現該操作的方法來描述。

除了封裝屬性和操作外，類還具有訪問控制的能力，比如，某些屬性和方法可以是私有的，不能被外界訪問。通過訪問控制，能夠對內部數據提供不同級別的保護，以防止外界意外地改變或使用了私有部分。不同的編程語言提供的訪問控制等級不盡相同，但都有公有、私有兩個等級。

類是抽象的數據類型，在內存中并不存在(Python等動態語言除外)，只有類的實例存在于內存中。

1.2 對象

對象是人們要進行研究的任何事物，從最簡單的整數到復雜的飛機等均可看作為對象，它不僅能表示具體的事物，還能表示抽象的規則、計劃或事件。

對象具有狀態，一個對象用數據值來描述它的狀態。

對象還有操作，用于改變對象的狀態，對象及其操作就是對象的行為。

對象實現了數據和操作的結合，使數據和操作封裝于對象的統一體中。

1.3 實例化

用類創建對象的過程就是實例化，創建的對象被稱為類的實例。實例化包含兩個步驟，第一步是分配對象的內存，第二步是初始化對象的內存。

2 類封裝的C語言實現

類的第一大特性為封裝，封裝即將對象的屬性和方法封裝在一起，在C語言中可以使用.C、.H和結構體實現類的封裝特性。

圖1 Human類圖

以圖1中Human類為例，可以使用human.h、human.c、struct human三個元素來完成封裝，human.c為human.h中函數聲明的實現，本文不討論這些細節，所以只給出如下human.h的關鍵代碼片段：

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);

3 類實例化的C語言實現

實例化包含兩個步驟：分配對象的內存和初始化對象的內存。接下來本文以圖1中Human類的實例化為例，討論C語言如何實現類的實例化。

3.1 對象的內存

如果把類看做類型，那么類的實例就是變量，既然是變量，那么就有動態變量、靜態變量和棧變量之分。在C語言中，使用malloc()這類動態內存分配函數得到的變量就是動態變量；全局變量和加了static關鍵字的變量就是靜態變量；在函數內創建的局部變量就是棧變量。下面的代碼展示了C語言中的這幾類變量：

#include "human.h"

struct human g_john;

/* 靜態變量 */

static struct human __g_john;

/* 靜態變量 */

void foo (void)

{

static struct human s_john;

/* 靜態變量 */

struct human john;

/* 棧變量 */

struct human *p_john = malloc(sizeof(*p_john));

/* 動態變量 */

}

站在內存的角度，可以把類看做結構體類型，類的實例就是結構體變量，因此，對象也就有動態對象、靜態對象和棧對象之分，它們之間的區別如表1所示。

表1 靜態對象、動態對象和棧對象

對于嵌入式軟件中的C面向對象編程，充分理解表1中的這三類對象是非常有必要的。大多數情況下，一個類都要能夠被實例化為靜態對象。

3.2 對象的初始化

初始化對象就是初始化對象的內存，在初始化之前，必然要先得到對象的內存(上一小節已討論)，但無論對象的內存是何種類型，初始化的操作都是相同的。在JAVA等編程語言中，完成此操作的函數被稱作構造函數，使用C語言來實現就是一個名為xxxx_init()的初始化函數，也可稱之為構造函數。

以Human類為例，它的初始化函數human_init()如下面的代碼所示，可留意到對象的內存需要顯式傳遞給它。

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

{

p_this->name = name;

p_this->_money = money;

return p_this;

}

3.3 實例化

前面兩小節分別討論了對象的內存和對象的初始化，這兩步組成了實例化。下面的代碼展示了不同類型對象的實例化：

#include "human.h"

human_t g_john;

/* 靜態對象 */

static human_t __g_jen;

/* 靜態對象 */

void foo (void)

{

static human_t s_jack;

/* 靜態對象 */

human_t tom;

/* 棧對象 */

human_t*p_lee_mem= malloc(sizeof(*p_lee_mem));

/* 動態對象 */

// 實例化上面定義的靜態對象、動態對象和棧對象

human_t *p_john= human_init(&g_john, "john", 100);

human_t *p_jen = human_init(&__g_jen, "jen", 100);

human_t *p_jack = human_init(&s_jack, "jack", 100);

human_t *p_tom = human_init(&tom, "tom", 100);

human_t *p_lee = human_init(p_lee_mem, "lee", 100);

3.4 訪問對象

對象實例化后便存于內存中，此時可以訪問對象的屬性和方法，下面的代碼展示了對象的訪問：

#include "human.h"

void foo (void)

{

human_t john;

/* 定義對象內存 */

p_john = human_init(&jhon, "John", 100);

/* 初始化對象 */

printf("Human %s is born!", p_john->name);

/* 訪問對象的屬性 */

human_talk(p_john, "I am hungry");

/* 訪問對象的方法 */

human_deinit(&john)

/* 對象解初始化 */

}

3.5 銷毀對象

當對象不再使用時，便可銷毀之。銷毀對象與創建對象(實例化)的操作相反，首先對對象進行解初始化操作，然后再釋放對象的內存。

以Human類為例，首先調用human_deinit()完成對象的解初始化，接下來，如果是靜態對象或棧對象就不用顯式釋放對象的內存，因為靜態對象或棧對象有確定的生命周期；如果是調用malloc()等函數得到了動態對象，則必須調用free()等對應的函數釋放對象的內存。下面的代碼展示了各種對象的銷毀：

#include "human.h"

human_t g_john;

/* 靜態對象 */

static human_t __g_jen;

/* 靜態對象 */

void foo (void)

{

static human_t s_jack;

/* 靜態對象 */

human_t tom;

/* 棧對象 */

human_t*p_lee_mem= malloc(sizeof(*p_lee_mem));

/* 動態對象 */

// 實例化上面定義的靜態對象、動態對象和棧對象

human_t *p_john = human_init(&g_john, "john", 100);

human_t *p_jen = human_init(&__g_jen, "jen", 100);

human_t *p_jack = human_init(&s_jack, "jack", 100);

human_t *p_tom = human_init(&tom, "tom", 100);

human_t *p_lee = human_init(p_lee_mem, "lee", 100);

/* 銷毀對象 */

human_deinit(p_john);

human_deinit(p_jen);

human_deinit(p_jack);

human_deinit(p_tom);

human_deinit(p_lee);

free(p_lee_mem);

/* 注意：需要用戶釋放動態申請的對象內存 */

}

4 結論

本文通過使用C語言實現Human類的實例化，討論了如何使用C語言來實現類的實例化。在C++等面向對象語言中對類做了原生的支持，使用new這類關鍵字即可實例化一個對象。盡管C語言并不支持new，但是通過對實例化過程的分析和拆分，也能實現實例化。

[1] 百度. 百度百科/面向對象[EB/OL].(2016-08-08).http://baike.baidu.com/link?url=6XlXEOSlrKn87S7SJv4 UWSX7EjstoDVm-wJ13OAod-XUrUrnZkVg3ntPFir-Ey5c6mqOb ZZOevQI6K3Ungq1Mq.

Research on the implementation of class instantiation with C-language

Yang Tao

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

Over the years, C-language is widely used in embedded software development, but because of developers and application scenarios and other reasons, object-oriented, design patterns and other outstanding software development methods have not been well used. Today, the rise 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. The process of using the class to create the object is instantiation. Combining with the characteristics of C language, the implementation of class instantiation by using C language is discussed.

C-language; object-oriented; class; instantiation

TP312

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.23.004

楊韜. 用C語言實現類實例化的研究[J].微型機與應用，2016,35(23)：15-17.

2016-09-20)

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