楊韜
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摘要： 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方法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。面向對象是現在軟件方法的根基，繼承是面向對象的三大特性之一，本文結合C語言的特性，對使用C語言實現繼承進行了討論。
關鍵詞： C語言；面向對象；類；繼承
中圖分類號：TP312文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.005
引用格式：楊韜. 用C語言實現繼承的研究［J］.微型機與應用，2016,35（24）：16-18.
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方法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。在C++等面向對象語言中對類做了原生的支持，提供了class這一數據類型，能夠很自然地支持繼承這一面向對象特性。盡管C語言并不支持class，但是能夠通過一些特殊的處理來模擬繼承，本文將討論如何使用C語言來實現繼承這一面向對象特性。
1基本概念［1］
1.1類
面向對象有三大特性：封裝、繼承、多態，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繼承
在定義一個類的時候，可以在一個已經存在的類的基礎上進行，新的類自動繼承已存在類的公有屬性和方法，在此基礎上可以添加新的屬性或方法，這種特性就是繼承。被繼承的類稱作父類或基類，繼承而得到的新類稱作子類或派生類。通過繼承可以使開發的軟件具有擴展性，簡化了類的創建工作量，提高了代碼復用性。
圖1為類繼承的UML圖，圖中定義了兩個類，兩個類用空心三角箭頭連接，箭頭指向的就是父類Human，箭尾就是子類Chinese。Chinese類繼承了Human類，Chinese類自動擁有Human的公有屬性和方法(即name、buy()和talk())，此外，Chinese類新添加了方法play_mahjong()。通俗點描述就是：中國人是人類，有名字，能夠講話和購物，除此之外，還能打麻將。
繼承分為單重繼承和多重繼承：子類只繼承一個父類，稱為單重繼承，如圖1所示；子類繼承多個父類，稱為多重繼承，如圖2所示。為了避免二義性，不推薦使用多重繼承，本文只討論單重繼承。
2類的C語言實現
在C語言中可以使用.c、.h和結構體來實現類，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，只給出human.h的關鍵代碼片段：
程序清單1Human類C語言實現
// human.h
typedef struct human {
const char *name;
int _money;
} human_t;
human_t *human_init(human_t *p_this,
const char *name,
int money);
voidhuman_talk(human_t *p_this,
const char *p_words);
voidhuman_buy (human_t *p_this,
const char *p_something,
unsigned price,
unsigned count);
voidhuman_deinit(human_t *p_this);
3繼承的C語言實現
3.1C語言不能實現嚴格的繼承
一種常見的用C語言實現繼承的方法如下面的代碼所示：
/* 父類 /基類*/
struct parent {
int a;
};
/* 子類/派生類 */
struct child {
struct parent base; /* 第一個成員為基類 */
int b;
};
void foo (void)
{
struct childfoo;
struct child *p_child;
struct parent*p_parent;
p_child = &foo;
p_parent = (struct parent *)p_child;
/* 將子類轉換為父類 */
p_parent->a = 100;/* 訪問父類成員 */
}
上面的代碼中定義了一個父類和子類，foo()函數中實例化了一個子類對象，使用強制類型轉換將子類對象的指針p_child轉換為父類指針p_parent，如此達到了訪問其父類成員的效果。此方法有明顯的缺陷——使用了強制類型轉換，而在C語言編程中是要避免使用強制類型轉換的。如果要得到子類的父類，推薦下面這種更安全的方法：
p_parent = &p_child->base;
對于很多面向對象編程語言來說，子類對象調用父類的屬性方法不需要顯式轉型，而C語言做不到這一點，比如，不能通過p_child->a直接訪問父類的屬性，因此，嚴格意義上說“C語言不能實現嚴格的繼承”。
3.2用C語言實現繼承
在前面一節中指出“C語言不能實現嚴格的繼承”，盡管如此，由于繼承在軟件設計中時有使用，因此用C語言實現繼承仍是必要的。盡管繼承實現的效果不如C++等面向對象語言那么完美，但還是可以達到實用程度的。
以圖1為例，Human為父類，Chinese為基類。Human類的實現請參考程序清單1，Chinese類的實現(chinese.h)請參考程序清單2，chinese.c為chinese.h中函數聲明的實現，本文不討論這些細節。
程序清單2Chinese類C語言實現
#include "human.h"
typedef struct chinese {
human_t super;
const char *city;
} chinese_t;
#define CHINESE_TO_HUMAN(p_chinese) \ (&((p_chinese)->super))
chinese_t *chinese_init (chinese_t *p_this, const char *name, int money, const char *city);
chinese_t *chinese_create(const char *name, unsigned int money, const char *city);
void chinese_play_mahjong (chinese_t *p_this);
void chinese_deinit (chinese_t *p_this);
void chinese_delete (chinese_t **pp_this);
Chinese類繼承Human類體現在struct chinese 結構體中嵌入了其父類struct human成員，但這并不是完美的繼承，如果要訪問父類的屬性和方法，需要先調用CHINESE_TO_HUMAN()將子類指針轉型為父類指針。需要注意的是CHINESE_TO_HUMAN()并沒有使用強制類型轉換，這意味著struct chinese的成員super可以放在任意位置，大大提高了使用的安全性和靈活性。程序清單3展示了繼承相關特性的使用。
程序清單3繼承的使用
chinese_txiaoming, *p_xiaoming;
human_t*p_human;
p_ xiaoming = chinese_create(
"XiaoMing", 100, "Beijing"); // 實例化子類
p_human = CHINESE_TO_HUMAN(p_ xiaoming);
// 向上轉型，得到父類引用
human_talk(p_human, "Ni Hao!\\n");// 調用父類方法
chinese_play_mahjong(p_laowang);// 調用子類方法
4結論
本文通過使用C語言實現Chinese類對Human類的繼承，討論了如何使用C語言來實現繼承。在C++等面向對象語言中對類做了原生的支持，能夠很容易地實現。盡管C語言不能實現嚴格意義上的繼承，但是通過在一個結構體中嵌入另一個結構體的方式，也能達到繼承的效果，與其他面向對象語言不同的是，調用父類方法時需要顯式轉型。
參考文獻
［1］ 百度百科. 面向對象［EB/OL］.（2012 12 12）［2016 08 08］http://baike.baidu.com/linkurl=6XlXEOSlrKn87S7SJv4U WSX7EjstoDVmwJ13OAodXUrUrnZkVg3ntPFirEy5c6mqObZZ OevQI6K3Ungq1Mq.