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参考
摘要
为什么要用面向对象？
为什么不直接使用C++？
LW_OOPC是什么？
LW_OOPC宏介绍
LW_OOPC最佳实践
LW_OOPC的优点
LW_OOPC的缺点

参考

轻量级的面向对象C语言编程框架LW_OOPC介绍
作者：金永华、陈国栋

摘要

本文介绍一种轻量级的面向对象的C语言编程框架：LW_OOPC。LW_OOPC是Light-Weight Object-Oriented Programming in(with) C的缩写，总共一个.h文件，20个宏，约130行代码，非常的轻量级，但却很好的支持了很多面向对象的特性，比如继承、多态，可以优美的实现面向接口编程。这个框架系由台湾的高焕堂先生以及他的MISOO团队首创，之后由我继续改进优化，最后，经高焕堂同意以LGPL协议开源（开源网址参见后文）。
用C语言实现OO？我没听错吗？这听起来真是太疯狂了！… 大家都知道，C++支持了面向对象和面向泛型编程，比C要更强大些。那么，为什么要在C语言中实践面向对象呢？为什么不直接使用C++呢？

为什么要用面向对象？

面向过程方式开发的系统，代码复杂，耦合性强，难以维护，随着我们所要解决的问题越来越复杂，代码也变得越来越复杂，越来越难以掌控，而面向对象改变了程序员的思维方式，以更加符合客观世界的方式来认识世界，通过合理的运用抽象、封装、继承和多态，更好的组织程序，从而很好地应对这种复杂性。

为什么不直接使用C++？

C和C++之争由来已久，可能要持续到它们中的一种去世_。C语言以其简洁明快，功能强大的特点，深得开发人员的喜爱，尤其是在嵌入式开发领域，C语言更是占据了绝对老大的地位。在我看来，语言只是工具，作为程序员，我们要做的是：选择合适的语言，解决恰当的问题。我们要尊重事实，考虑开发环境（软硬件环境），考虑团队成员的水平，从商用工程的角度讲，选择团队成员擅长的语言进行开发，风险要小很多。
一些从Java/C#转到C的程序员们，无法从面向对象切换到面向过程，但又必须与C语言同事们在遗留的C系统上开发软件，他们有时会非常困惑：C语言是面向过程的编程语言，如何实践面向对象，甚至面向接口编程呢？此时，就非常需要在C语言中实现面向对象的手段，而LW_OOPC正是应对这一难题的解决之道。

LW_OOPC是什么？

简而言之：LW_OOPC是一套C语言的宏，总共1个.h文件（如果需要内存泄漏检测支持以及调试打印支持，那么还需要1个.c文件（lw_oopc.c，约145行）），20个宏，约130行代码。LW_OOPC是一种C语言编程框架，用于支持在C语言中进行面向对象编程。

LW_OOPC宏介绍

下面，先通过一个简单的示例来展示LW_OOPC这套宏的使用方法。我们要创建这样一些对象：动物（Animal），鱼（Fish），狗（Dog），车子（Car）。显然，鱼和狗都属于动物，都会动，车子也会动，但是车子不是动物。会动是这些对象的共同特征，但是，显然它们不属于一个家族。因此，我们首先考虑抽象出一个接口（IMoveable），以描述会动这一行为特征：

INTERFACE(IMoveable)
{
    void (*move)(IMoveable* t);     // Move行为
};

INTERFACE宏用于定义接口，其成员（方法）均是函数指针类型。

然后，我们分析Animal，它应该是抽象类还是接口呢？动物都会吃，都需要呼吸，如果仅仅考虑这两个特征，显然可以把Animal定为接口。不过，这里，为了展示抽象类在LW_OOPC中如何应用。我们让Animal拥有昵称和年龄属性，并且，让动物和我们打招呼（sayHello方法)，但，我们不允许用户直接创建Animal对象，所以，这里把Animal定为抽象类：

ABS_CLASS(Animal)
{
    char name[128];     // 动物的昵称(假设小于128个字符)
    int age;            // 动物的年龄
    
    void (*setName)(Animal* t, const char* name);   // 设置动物的昵称
    void (*setAge)(Animal* t, int age);             // 设置动物的年龄 
    void (*sayHello)(Animal* t);                    // 动物打招呼
    void (*eat)(Animal* t);                         // 动物都会吃（抽象方法，由子类实现）
    void (*breathe)(Animal* t);                     // 动物都会呼吸（抽象方法，由子类实现）
    void (*init)(Animal* t, const char* name, int age); // 初始化昵称和年龄
};

ABS_CLASS宏用于定义抽象类，允许有成员属性。代码的含义参见代码注释。
紧接着，我们来定义Fish和Dog类，它们都继承动物，然后还实现了IMoveable接口：

  CLASS(Fish)
  {
      EXTENDS(Animal);        // 继承Animal抽象类
      IMPLEMENTS(IMoveable);  // 实现IMoveable接口
  
      void (*init)(Fish* t, const char* name, int age);
  };
  
  CLASS(Dog)
  {
      EXTENDS(Animal);        // 继承Animal抽象类
      IMPLEMENTS(IMoveable);  // 实现IMoveable接口
  
  
      void(*init)(Dog* t, const char* name, int age);
  };

为了让Fish对象或Dog对象在创建之后，能够很方便地初始化昵称和年龄，Fish和Dog类均提供了init方法。
下面，我们来定义Car，车子不是动物，但可以Move，因此，让Car实现IMoveable 接口即可：

CLASS(Car)
{
  IMPLEMENTS(IMoveable);  // 实现IMoveable接口（车子不是动物，但可以Move）
};

接口，抽象类，具体类的定义都已经完成了。下面，我们开始实现它们。接口是不需要实现的，所以IMoveable没有对应的实现代码。Animal是抽象动物接口，是半成品，所以需要提供半成品的实现：

/* 设置动物的昵称*/
void Animal_setName(Animal* t, const char* name)
{
    // 这里假定name不会超过128个字符，为简化示例代码，不做保护（产品代码中不要这样写）
    strcpy(t->name, name);
}
/* 设置动物的年龄*/
void Animal_setAge(Animal* t, int age)
{
    t->age = age;
}
/* 动物和我们打招呼*/
void Animal_sayHello(Animal* t)
{
    printf("Hello! 我是%s，今年%d岁了！\n", t->name, t->age);
}
/* 初始化动物的昵称和年龄*/
void Animal_init(Animal* t, const char* name, int age)
{
    t->setName(t, name);
    t->setAge(t, age);
}

ABS_CTOR(Animal)
FUNCTION_SETTING(setName, Animal_setName);
FUNCTION_SETTING(setAge, Animal_setAge);
FUNCTION_SETTING(sayHello, Animal_sayHello);
FUNCTION_SETTING(init, Animal_init);
END_ABS_CTOR

ABS_CTOR表示抽象类的定义开始，ABS_CTOR(Animal)的含义是Animal抽象类的“构造函数”开始。在C语言里边其实是没有C++中的构造函数的概念的。LW_OOPC中的CTOR系列宏（CTOR/END_CTOR，ABS_CTOR/END_ABS_CTOR）除了给对象（在C语言中是struct实例）分配内存，然后，紧接着要为结构体中的函数指针成员赋值，这一过程，也可以称为函数绑定（有点类似C++中的动态联编）。
函数绑定的过程由FUNCTION_SETTING宏来完成。

对于Fish和Dog类的实现，与Animal基本上是类似的，除了将ABS_CTOR换成了CTOR，直接参见代码：

/* 鱼的吃行为 */
void Fish_eat(Animal* t)
{
    printf("鱼吃水草！\n");
}
/* 鱼的呼吸行为 */
void Fish_breathe(Animal* t)
{
    printf("鱼用鳃呼吸！\n");
}
/* 鱼的移动行为 */
void Fish_move(IMoveable* t)
{
    printf("鱼在水里游！\n");
}
/* 初始化鱼的昵称和年龄 */
void Fish_init(Fish* t, const char* name, int age)
{
    Animal* animal = SUPER_PTR(t, Animal);
    animal->setName(animal, name);
    animal->setAge(animal, age);
}

CTOR(Fish)
SUPER_CTOR(Animal);
FUNCTION_SETTING(Animal.eat, Fish_eat);
FUNCTION_SETTING(Animal.breathe, Fish_breathe);
FUNCTION_SETTING(IMoveable.move, Fish_move);
FUNCTION_SETTING(init, Fish_init);
END_CTOR

上面是Fish的实现，下面看Dog的实现：

/* 狗的吃行为 */
void Dog_eat(Animal* t)
{
    printf("狗吃骨头！\n");
}
/* 狗的呼吸行为 */
void Dog_breathe(Animal* t)
{
    printf("狗用肺呼吸！\n");
}
/* 狗的移动行为 */
void Dog_move(IMoveable* t)
{
    printf("狗在地上跑！\n");
}
/* 初始化狗的昵称和年龄 */
void Dog_init(Dog* t, const char* name, int age)
{
    Animal* animal = SUPER_PTR(t, Animal);
    animal->setName(animal, name);
    animal->setAge(animal, age);
}

CTOR(Dog)
SUPER_CTOR(Animal);
FUNCTION_SETTING(Animal.eat, Dog_eat);
FUNCTION_SETTING(Animal.breathe, Dog_breathe);
FUNCTION_SETTING(IMoveable.move, Dog_move);
FUNCTION_SETTING(init, Dog_init);
END_CTOR

SUPER_CTOR这个宏是提供给子类用的，用于调用其直接父类的构造函数（类似Java语言中的super()调用，在这里，其实质是要先调用父类的函数绑定过程，再调用自身的函数绑定过程），类似Java那样，SUPER_CTOR如果要出现，需要是ABS_CTOR或者CTOR下面紧跟的第一条语句。

最后，我们把Car类也实现了：

void Car_move(IMoveable* t)
{
    printf("汽车在开动！\n");
}

CTOR(Car)
FUNCTION_SETTING(IMoveable.move, Car_move);
END_CTOR

下面，我们实现main方法，以展示LW_OOPC的威力：

#include "animal.h"

int main()
{
    Fish* fish = Fish_new();    // 创建鱼对象
    Dog* dog = Dog_new();       // 创建狗对象
    Car* car = Car_new();       // 创建车子对象

    Animal* animals[2] = { 0 };     // 初始化动物容器（这里是Animal指针数组)
    IMoveable* moveObjs[3] = { 0 }; // 初始化可移动物体容器（这里是IMoveable指针数组)

    int i = 0;                  // i和j是循环变量
    int j = 0;

    // 初始化鱼对象的昵称为：小鲤鱼，年龄为：1岁
    fish->init(fish, "小鲤鱼", 1);          

    // 将fish指针转型为Animal类型指针，并赋值给animals数组的第一个成员
    animals[0] = SUPER_PTR(fish, Animal);   

    // 初始化狗对象的昵称为：牧羊犬，年龄为：2岁
    dog->init(dog, "牧羊犬", 2);            

    // 将dog指针转型为Animal类型指针，并赋值给animals数组的第二个成员
    animals[1] = SUPER_PTR(dog, Animal);    

    // 将fish指针转型为IMoveable接口类型指针，并赋值给moveOjbs数组的第一个成员
    moveObjs[0] = SUPER_PTR(fish, IMoveable);

    // 将dog指针转型为IMoveable接口类型指针，并赋值给moveOjbs数组的第二个成员
    moveObjs[1] = SUPER_PTR(dog, IMoveable);    

    // 将car指针转型为IMoveable接口类型指针，并赋值给moveOjbs数组的第三个成员
    moveObjs[2] = SUPER_PTR(car, IMoveable);    

    // 循环打印动物容器内的动物信息
    for(i=0; i<2; i++)
    {
        Animal* animal = animals[i];
        animal->eat(animal);
        animal->breathe(animal);
        animal->sayHello(animal);
    }

    // 循环打印可移动物体容器内的可移动物体移动方式的信息
    for(j=0; j<3; j++)
    {
        IMoveable* moveObj = moveObjs[j];
        moveObj->move(moveObj);
    }

    lw_oopc_delete(fish);
    lw_oopc_delete(dog);
    lw_oopc_delete(car);

    return 0;
}

从上边的代码中，我们惊喜地发现，在C语言中，借助LW_OOPC，我们实现了将不同的动物（Fish和Dog对象）装入Animal容器，然后可以用完全相同的方式调用Animal的方法（比如eat和breathe方法），而实际调用的是具体的实现类（Fish和Dog）的对应方法。这正是面向对象中的多态的概念。同样，我们可以将Fish对象，Dog对象，以及Car对象均视为可移动物体，均装入IMoveable容器，然后用完全相同的方式调用IMoveable接口的move方法。看到了吗？借助LW_OOPC，在C语言下我们竟然可以轻松地实现面向对象和面向接口编程！

LW_OOPC最佳实践

说得简单一点，要想使用好LW_OOPC这套宏，还得首先懂面向对象，要遵循面向对象设计的那些大原则，比如开闭原则等。在C语言中使用面向对象，根据实际使用的情况，给出如下建议：
1）继承层次不宜过深，建议最多三层（接口、抽象类、具体类，参见图 1和图 2）
继承层次过深，在Java/C#/C++中均不推崇，在C语言中实践面向对象的时候，尤其要遵循这一点，只有这样，代码才能简单清爽。
2）尽量避免多重继承
尽可能使用单线继承，但可实现多个接口（与Java中的单根继承类似）。
3）尽量避免具体类继承具体类
具体类继承具体类，不符合抽象的原则，要尽量避免。
4）各继承层次分别维护好自己的数据
子类尽量不要直接访问祖先类的数据，如果确实需要访问，应当通过祖先类提供的函数，以函数调用的方式间接访问。

LW_OOPC的优点

1）轻量级
2）广泛的适应性，能够适应各种平台，各种编译器（能支持C的地方，基本上都能支持）
3）帮助懂OO的Java/C++程序员写出面向对象的C程序。
4）使用C，也能引入OO的设计思想和方法，在团队的C/C++分歧严重时可能非常有用。

LW_OOPC的缺点

1）无法支持重载（C语言不支持所致）
2）不完全的封装（无法区分私有、保护和公有）
LW_OOPC的INTERFACE/ABS_CLASS/CLASS三个宏展开后都是C语言的struct，其成员全是公有的，宏本身并无能力提供良好地封装层次的支持，所以，只能从编程规范和编程风格上进行引导。
3）不支持RTTI
既然不支持RTTI，那么显然也无法支持安全的向下转型（C++中的dynamic_cast的转型功能）
4）不支持拷贝构造以及赋值语义
5）转换成接口的表述有点麻烦，表达形式相比C++要啰嗦很多。
6）有学习成本，需要用户学习并习惯这套宏
前四条缺点，实质上并非是LW_OOPC的缺点，而是C相对C++而言的缺点，在这里，之所以也一并列上，是希望用户不要对LW_OOPC抱太高的期望，毕竟它也只是一套C语言的宏而已，C语言有的缺点，LW_OOPC并不能够解决。

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LW_OOPC学习01

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