嵌入式 C 语言面向对象编程 --- 继承

上一篇文章主要讲述了 C 语言面向对象编程– 封装的简单概念和实现，本篇文章继续来讨论一下，如何使用 C 语言实现面向对象编程的另一个重要特性：继承。

继承就是基于一个已有的类（一般称作父类或基类），再去重新声明或创建一个新的类，这个类可以称为子类或派生类。

子类或派生类可以访问父类的数据和函数，然后子类里面又添加了自己的属性和数据。

简单打个比喻就是，眼睛耳朵嘴巴鼻子这几项都是动物的特征，邻居老王家的小狗旺财继承了动物的特征，并且还有自身的一些特征，比如：会摆动的尾巴。也就是，旺财这个dog类，继承了其父类animal类的特征，并且还新增加了属于自身的一些特征。

一句话高度概括什么是面向对象：到底是旺财自己会摇尾巴，还是外部的因素驱使旺财会摇尾巴？

仔细斟酌这句话，当把这句话理解透了，就会对“面向对象”的概念有更加深刻的理解。

在 C 语言里面，可以通过结构体嵌套的方式去实现类的单继承（暂不考虑多重继承），但有一点注意事项，就是在结构体嵌套时，父类对象需要放在结构体成员的第一个位置。

现在，我们基于已有的 coordinate 类作为父类，再重新定义一个 rectangle 派生类。

在上一篇文章代码的基础上，我们修改一下父类 coordinate，把操作函数通过函数指针的方式封装在结构体内，让对象的封装程度进一步提高。

修改后的父类coordinate代码，如下所示：

#ifndef __COORDINATE_H_
#define __COORDINATE_H_

//声明一个位置类，属性为坐标x，y，提供属性操作函数
typedef struct coordinate {
    short int x;
    short int y;
    void (*moveby)(struct coordinate *p_coordinate,short int dx,short int dy);
    short int (*get_x)(struct coordinate *p_coordinate);
    short int (*get_y)(struct coordinate *p_coordinate);
}COORDINATE_T,*P_COORDINATE_T;

extern void coordinate_init(P_COORDINATE_T p_coordinate,short int x,short int y);
extern void coordinate_uninit(P_COORDINATE_T p_coordinate);

#endif // !__COORDINATE_H_

在头文件 coordinate.h 里，声明一个位置类，类里面提供了坐标属性 x 和 y，还提供了属性的操作函数指针。头文件对外提供 coordinate_init 和 coordinate_uninit 两个函数，用来初始化对象和解除初始化。

源文件 coordinate.c

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "inc/coordinate.h"

//修改coordinate的属性值
static void coordinate_moveby(struct coordinate *p_coordiante,short int dx,short int dy)
{
    if(NULL != p_coordiante){
        p_coordiante->x += dx;
        p_coordiante->y += dy;
    }
}

//获取coordinate的属性值x
static short int coordinate_get_x(struct coordinate *p_coordiante)
{
    return (NULL != p_coordiante) ? p_coordiante->x : -1;
}

//获取coordinate的属性值y
static short int coordinate_get_y(struct coordinate *p_coordiante)
{
    return (NULL != p_coordiante) ? p_coordiante->y : -1;
}

//创建一个coordinate对象
void coordinate_init(P_COORDINATE_T p_coordinate,short int x,short int y)
{
    if((x < 0) || (y < 0) || (NULL == p_coordinate)){
        printf("coordinate create error! x or y can not be less than zero n");
        return;
    }

    p_coordinate->x = x;
    p_coordinate->y = y;
    p_coordinate->moveby = coordinate_moveby;
    p_coordinate->get_x = coordinate_get_x;
    p_coordinate->get_y = coordinate_get_y;
}

//销毁一个coordinate对象
void coordinate_uninit(P_COORDINATE_T p_coordinate)
{
    if(NULL != p_coordinate){
        p_coordinate->x = -1;
        p_coordinate->y = -1;
        p_coordinate->moveby = NULL;
        p_coordinate->get_x = NULL;
        p_coordinate->get_y = NULL;
    }
}

在源文件 coordinate.c 里，属性的操作函数都使用 static 进行声明，只能在该源文件调用函数，不允许外部调用。在函数 coordinate_init 中，主要进行了属性赋值，并注册操作函数指针，后面可以直接通过函数指针对操作函数进行调用。在函数 coordinate_uninit 中，主要是清除各个属性的赋值。

至此，整个父类 coordinate 修改完成，父类把属性和属性的操作函数都封装在结构体内，其封装程度已经比较高，外部不能直接调用父类的属性操作函数，必须通过函数指针的方式进行调用。

接下来，我们基于父类 coordinate ，重新声明一个子类 rectangle ，子类在头文件中的声明，如下所示：

头文件 rectangle.h

#ifndef __RECTANGLE_H_
#define __RECTANGLE_H_
#include "coordinate.h"    //包含基类的接口

//声明一个rectangle类，继承coordinate类
typedef struct rectangle {
    COORDINATE_T coordinate; //父类，必须放在首位
    unsigned short width;
    unsigned short height;
}RECTANGLE_T,*P_RECTANGLE_T;

extern P_RECTANGLE_T rectangle_create(short int x,short int y,unsigned short width,unsigned short height);
extern void rectangle_destroy(P_RECTANGLE_T p_rectangle);
extern void rectangle_test_function(void);

#endif // !__RECTANGLE_H_

源文件 rectangle.c

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "inc/rectangle.h"

//创建一个rectangle类对象
P_RECTANGLE_T rectangle_create(short int x,short int y,unsigned short width,unsigned short height)
{
    P_RECTANGLE_T p_rectangle = NULL;

    p_rectangle = (P_RECTANGLE_T)malloc(sizeof(RECTANGLE_T));

    if(NULL != p_rectangle){       
        p_rectangle->width = width;
        p_rectangle->height = height;

        coordinate_init(&(p_rectangle->coordinate),x,y);
    }
    else printf("rectangle create error! n");
    return p_rectangle;
}

//销毁一个rectangle类对象
void rectangle_destroy(P_RECTANGLE_T p_rectangle)
{
    coordinate_uninit(&(p_rectangle->coordinate));

    if(NULL != p_rectangle){
        free(p_rectangle);
        p_rectangle = NULL;
    }
}

在头文件 rectangle.h 里面，通过include包含了父类coordinate的接口，并创建了一个新的结构体，用于声明一个 rectangle 类，这个结构体把父类 coordinate 放在了第一个成员的位置，同时新增了自己的两个属性，宽度width和高度height。

rectangle_create 函数用于创建一个 P_RECTANGLE_T 类型的对象，并为其分配内存空间。分配成功后，对调用父类 coordinate_init函数，对父类的各种属性进行初始化，并同时对自身的属性 width 和 height 进行初始化，最后返回创建成功后的对象指针。

rectangle_destroy 用于父类对象属性的解除初始化，并为对象属性重新分配默认值，释放之前申请的内存空间，销毁 rectangle 对象。

从头文件 rectangle.h 和源文件 rectangle.c 可以看出，子类 rectangle 是基于其父类 coordinate 进行声明和构建的，因为矩形rectangle除了 width 和 height 属性外，还包含了坐标 x 和 y 属性。

把父类放在结构体成员的第一个位置，是由于结构体内存的连续性，可以很安全地进行强制类型转换。举个例子：假如一个函数要求传入的参数是 COORDINATE_T 类型，但可以通过强制类型转换，传入 RECTANGLE_T 类型的参数，具体的使用方法，可以查看以下测试函数。

void rectangle_test_function(void)
{
    P_RECTANGLE_T p_rectangle_1 = NULL;
    P_RECTANGLE_T p_rectangle_2 = NULL;

    //创建两个 P_RECTANGLE_T 类型的类对象
    p_rectangle_1 = (P_RECTANGLE_T)rectangle_create(0,0,150,150);
    p_rectangle_2 = (P_RECTANGLE_T)rectangle_create(200,200,500,500);

    if((NULL != p_rectangle_1) && (NULL != p_rectangle_2)){

        //打印出类对象的初始化属性，通过函数指针的方式来调用属性操作函数
        printf("p_rectangle_1,x = %d,y = %d,width = %d,height = %d n",
               p_rectangle_1->coordinate.get_x(&(p_rectangle_1->coordinate)), 
               p_rectangle_1->coordinate.get_y(&(p_rectangle_1->coordinate)), 
               p_rectangle_1->width,p_rectangle_1->height);

        printf("p_rectangle_2,x = %d,y = %d,width = %d,height = %d n",    
               p_rectangle_2->coordinate.get_x(&(p_rectangle_2->coordinate)),   
               p_rectangle_2->coordinate.get_y(&(p_rectangle_2->coordinate)),   
               p_rectangle_2->width,p_rectangle_2->height);

        //修改类对象的属性，注意这里有两种方式，1、通过强制类型转换修改。2、通过正常方式修改
        p_rectangle_1->coordinate.moveby((P_COORDINATE_T)p_rectangle_1, 50, 50);
        p_rectangle_2->coordinate.moveby(&(p_rectangle_2->coordinate), 50, 50);

        //再次打印出类对象的修改后的属性
        printf("after moveby, p_rectangle_1,x = %d,y = %d,width = %d,height = %d n",
               p_rectangle_1->coordinate.get_x(&(p_rectangle_1->coordinate)), 
               p_rectangle_1->coordinate.get_y(&(p_rectangle_1->coordinate)), 
               p_rectangle_1->width,p_rectangle_1->height);

        printf("after moveby, p_rectangle_2,x = %d,y = %d,width = %d,height = %d n",    
               p_rectangle_2->coordinate.get_x(&(p_rectangle_2->coordinate)),   
               p_rectangle_2->coordinate.get_y(&(p_rectangle_2->coordinate)),   
               p_rectangle_2->width,p_rectangle_2->height);
    }

    //销毁类对象
    rectangle_destroy(p_rectangle_1);
    rectangle_destroy(p_rectangle_2);
}

测试函数的运行效果，如下图所示：

p_rectangle_1,x = 0,y = 0,width = 150,height = 150
p_rectangle_2,x = 200,y = 200,width = 500,height = 500
after moveby, p_rectangle_1,x = 50,y = 50,width = 150,height = 150
after moveby, p_rectangle_2,x = 250,y = 250,width = 500,height = 500

通过上述代码的测试，可以总结出以下几点内容：

1、外部函数可以通过子类直接使用父类的各个成员，但只能通过子类结构体的第一个成员来访问。

2、父类放在子类结构体的第一个位置，由于结构体内存的连续性，因此可以通过强制类型转换来直接访问。

3、由于C语言结构体的特性，即使子类存在与父类同名的函数，父类的函数不会被子类的函数覆盖和重写，因此，子类与父类之间不存在函数重载。

源码下载地址：https://github.com/embediot/my_program_test

感谢阅读！