用C语言实现面向对象编程
GOF的《设计模式》一书的副标题叫做“可复用面向对象软件的基础”，从标题就能看出面向对象是设计模式基本思想。由于C语言并不是面向对象的语言，C语言没有直接提供封装、继承、组合、多态等面向对象的功能，但C语言有struct和函数指针。我们可以用struct中的数据和函数指针，以此来模拟对象和类的行为。
所以在正式开始设计模式前，先看看如何用C语言实现面向对象编程。
本章针对面向对象的封装、继承、组合、多态给出C语言的实现方法。
1 封装
封装是指对象仅暴露必要的对外接口（这里指public方法）来和其它对象进行交互，其它的属性和行为都无需暴露，这使得对象的内部实现可以自由修改。这也要求对象包含它能进行操作所需要的所有信息，不必依赖其它对象来完成自己的操作。
以下以电力公司的例子演示封装。
电力公司生产并提供电力。为了汇聚各种发电厂的电力并让用户获得电力，电力公司提供了两个统一接口：1、电力公司汇聚各种发电厂的电力，无论是火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂等都使用一个接口。如果什么时候一家火力发电厂改造成了风力发电厂，发电厂的实现完全不一样了，但接口不变，所以电力公司感觉不到发电厂变了，不需要为了发电厂实现升级而改造电力公司的系统。2、电力公司向用户提供电力，无论用户用电的设备是烤面包机还是洗衣机，电力公司和用户之间都使用一个接口（电源插座）。用户的用电设备可以千变万化，但接口（电源插座）不变。所以电力公司不用关系用户的什么设备在用电。
代码
#include <stdio.h>
struct PowerCompany {
int powerReserve;
void (*PowerPlant)(struct PowerCompany *this, int power);
void (*PowerUser)(struct PowerCompany *this, int power);
};
void PowerPlant(struct PowerCompany *this, int power)
{
this->powerReserve += power;
printf("默认发电厂，发电%d瓦\n", power);
return;
}
void PowerUser(struct PowerCompany *this, int power)
{
if (this->powerReserve >= power) {
printf("用电%d瓦\n", power);
this->powerReserve -= power;
} else {
printf("电力不足，用电失败\n");
}
return;
}
/* struct PowerCompany 的构造函数 */
void PowerCompany(struct PowerCompany *this)
{
this->powerReserve = 0;
this->PowerPlant = PowerPlant;
this->PowerUser = PowerUser;
return;
}
/* struct PowerCompany 的析构函数 */
void _PowerCompany(struct PowerCompany *this)
{
}
main()
{
struct PowerCompany myPowerCompany;
PowerCompany(&myPowerCompany);
/* 发电 */
myPowerCompany.PowerPlant(&myPowerCompany, 1000);
/* 用电 */
myPowerCompany.PowerUser(&myPowerCompany, 800);
myPowerCompany.PowerUser(&myPowerCompany, 800);
_PowerCompany(&myPowerCompany);
return;
}
从电力公司的例子中可以看出，良好的封装可以有效减少耦合性，封装内部实现可以自由修改，对系统的其它部分没有影响。
2 继承
面向对象编程最强大的功能之一就是代码重用，而继承就是实现代码重用的主要手段之一。
继承允许一个类继承另一个类的属性和方法。我们可以通过识别事物之间的共性，通过抽象公共属性和行为来构造父类，而通过继承父类来构造各子类。父类，即公共属性和行为，就得到了复用。
以下哺乳动物的例子演示继承。
猫和狗都是哺乳动物，它们具有公共的属性和行为。比如，猫和狗都有眼睛，且它们都会叫。我们把眼睛的颜色、会叫抽象出来，作为哺乳动物父类的属性，让猫类、狗类都继承哺乳动物父类，可实现对”眼睛的颜色“、”会叫“实现的复用。
UML
代码
#include <stdio.h>
struct Mammal {
int eyeColor;
void (*ShowEyeColor)(struct Mammal *this);
int callNum;
void (*Call)(struct Mammal *this);
};
void ShowEyeColor(struct Mammal *this)
{
if (this->eyeColor == 1) {
printf("眼睛是绿色\n");
} else {
printf("眼睛是蓝色\n");
}
return;
}
void Call(struct Mammal *this)
{
printf("叫%d声\n", this->callNum);
return;
}
// struct Mammal 的构造函数
void Mammal(struct Mammal *this, int eyeColor, int callNum)
{
this->eyeColor = eyeColor;
this->ShowEyeColor = ShowEyeColor;
this->callNum = callNum;
this->Call = Call;
return;
}
struct Dog {
struct Mammal mammal;
};
// struct Dog 的构造函数
void Dog(struct Dog *this, int eyeColor, int callNum)
{
Mammal(this, eyeColor, callNum);
// 狗类的其它属性，略
return;
}
// struct Dog 的析构函数
void _Dog(struct Dog *this)
{
}
struct Cat {
struct Mammal mammal;
// 猫类的其它属性，略
};
// struct Cat 的构造函数
void Cat(struct Cat *this, int eyeColor, int callNum)
{
Mammal(this, eyeColor, callNum);
return;
}
// struct Cat 的析构函数
void _Cat(struct Cat *this)
{
}
main()
{
struct Dog myDog;
Dog(&myDog, 1, 3);
myDog.mammal.ShowEyeColor(&myDog);
myDog.mammal.Call(&myDog);
_Dog(&myDog);
struct Cat myCat;
Cat(&myCat, 2, 5);
myCat.mammal.ShowEyeColor(&myCat);
myCat.mammal.Call(&myCat);
_Cat(&myCat);
return;
}
3 多态
多态与继承是紧耦合的关系，但它通常作为面向对象技术中最强大的优点之一。子类从继承父类的接口，每个子类是单独的实体，每个子类需要对同一消息有单独的应答。每个子类对同一消息的应答采用继承的相同接口，但每个子类可以有不同的实现，这就是多态。
在猫和狗的例子中，猫类、狗类都继承了哺乳动物父类的“叫”的方法，但猫类、狗类的叫声并不一样，所以猫类、狗类可以采用不同的“叫”的实现。
以下代码演示了多态。
代码
#include <stdio.h>
struct Mammal {
int eyeColor;
void (*ShowEyeColor)(struct Mammal *this);
int callNum;
void (*Call)(struct Mammal *this);
};
void ShowEyeColor(struct Mammal *this)
{
if (this->eyeColor == 1) {
printf("眼睛是绿色\n");
} else {
printf("眼睛是蓝色\n");
}
return;
}
void Call(struct Mammal *this)
{
printf("叫%d声\n", this->callNum);
return;
}
/* struct Mammal 的构造函数 */
void Mammal(struct Mammal *this, int eyeColor, int callNum)
{
this->eyeColor = eyeColor;
this->ShowEyeColor = ShowEyeColor;
this->callNum = callNum;
this->Call = Call;
return;
}
struct Dog {
struct Mammal mammal;
};
void Bark(struct Dog *this)
{
int i;
for (i = 0; i < this->mammal.callNum; i++) {
printf("汪 ");
}
printf("\n");
return;
}
/* struct Dog 的构造函数 */
void Dog(struct Dog *this, int eyeColor, int callNum)
{
Mammal(this, eyeColor, callNum);
this->mammal.Call = Bark;
return;
}
// struct Dog 的析构函数
void _Dog(struct Dog *this)
{
}
struct Cat {
struct Mammal mammal;
};
void Meow(struct Cat *this)
{
int i;
for (i = 0; i < this->mammal.callNum; i++) {
printf("喵 ");
}
printf("\n");
return;
}
/* struct Cat 的构造函数 */
void Cat(struct Cat *this, int eyeColor, int callNum)
{
Mammal(this, eyeColor, callNum);
this->mammal.Call = Meow;
return;
}
// struct Cat 的析构函数
void _Cat(struct Cat *this)
{
}
main()
{
struct Dog myDog;
Dog(&myDog, 1, 3);
struct Cat myCat;
Cat(&myCat, 2, 5);
struct Mammal *myMammal;
myMammal = &myDog;
myMammal->Call(myMammal);
myMammal = &myCat;
myMammal->Call(myMammal);
_Dog(&myDog);
_Cat(&myCat);
return;
}
4 组合
组合与继承都是面向对象中代码复用的方式，也只有通过组合和继承两种方式能够实现使用其他类构建新类。
在前面讲的继承关系中，我们把通用属性和行为抽象出来作为父类。例如：猫、狗都是哺乳动物，它们具有哺乳动物通用的属性和行为。猫、狗与哺乳动物的关系是“is-a”，即猫、狗（is-a）哺乳动物。
而组合关系体现的是“has-a”。以房子和窗户的关系举例。我们可以单独构建窗户类，然后把窗户类应用到各种房子类上。此时房子（has-a）窗户，但绝不是窗户（is-a）房子。
以下UML和代码演示了组合。
UML
代码
#include <stdio.h>
struct Window {
int length;
int width;
void (*ShowWindow)(struct Window *this);
};
void ShowWindow(struct Window *this)
{
printf("这是长%d厘米、宽%d厘米的窗户\n", this->length, this->width);
return;
}
void Window(struct Window *this, int length, int width)
{
this->length = length;
this->width = width;
this->ShowWindow = ShowWindow;
return;
}
void _Window(struct Window *this)
{
}
struct House {
struct Window *window;
int livingRoomNum;
int bedRoomNum;
int bathRoomNum;
void (*ShowHouse)(struct House *this);
};
void ShowHouse(struct House *this)
{
printf("这是%d室%d厅%d卫的房子\n", this->bedRoomNum, this->livingRoomNum, this->bathRoomNum);
return;
}
void House(struct House *this, int livingRoomNum, int bedRoomNum, int bathRoomNum)
{
this->livingRoomNum = livingRoomNum;
this->bedRoomNum = bedRoomNum;
this->bathRoomNum = bathRoomNum;
this->ShowHouse = ShowHouse;
return;
}
void _House(struct House *this)
{
}
void main()
{
struct House myHouse;
House(&myHouse, 2, 3, 2);
/* 组合是一种低耦合，如果不初始化，子类只是存放了一个空指针来占位关联。
此处是与继承关系的区别。继承是一种强耦合，在继承关系中，无论如何子类拥有父类全部的信息。*/
struct Window myWindow1;
myHouse.window = &myWindow1;
Window(myHouse.window, 100, 50);
/* 通过获得其它对象的引用而在“运行时”动态定义 */
myHouse.ShowHouse(&myHouse);
myHouse.window->ShowWindow(myHouse.window);
_Window();
_House();
return;
}
组合和继承的区别有以下几点：
组合关系体现的是“has-a”。继承关系体现的是“is-a”。
组合是“黑箱”复用，通过获得其它对象的引用而在“运行时”动态定义。继承是“白箱”复用，“编译时”静态定义。
这点非常非常的重要，后续讲到具体设计模式时，经常会使用“运行时”动态定义替代“编译时”静态定义方式来实现