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1- 9 C 语言面向对象

news 2024/11/27 15:05:56

面向对象的基本特性：封装，继承，多态

1.0 面向过程概念

当我们在编写程序时，通常采用以下步骤：

1. 将问题的解法分解成若干步骤

2. 使用函数分别实现这些步骤

3. 依次调用这些函数

这种编程风格的被称作 面向过程 。除了 面向过程 之外，还有一种被称作 面向对象 的编程风格被广泛使用。

面向对象 采用基于对象的概念建立模型，对现实世界进行模拟，从而完成对问题的解决。

C 语言的语法并不直接支持面向对象风格的编程。但是，我们可以通过额外的代码，让 C 语言实现一些面向对象特性。

2.0 程序案例

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>struct student
{int id;char name[20];int gender;int mark;
};int MakeStudentId(int year, int classNum, int serialNum)
{// 创建一个char类型的数组char buffer[20];// 将三个变量转换为指定格式的字符串，存储在buffer数组中sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);// 将字符串转换为整数int id = atoi(buffer);// 返回项目的id值return id;
}const char* NumGenderToStrGender(int numGender)
{if (numGender == 0){return "女";}else if (numGender == 1){return "男";}return "NULL";
}int StrGenderToNumGender(const char* strGender)
{int numGender;if (strcmp("男", strGender) == 0){numGender = 1;}else if (strcmp("女", strGender) == 0){numGender = 0;}else{numGender = -1;}return numGender;
}int main()
{// 创建结构体变量struct student stu;stu.id = MakeStudentId(2024, 123, 26);strcpy(stu.name, "小明");stu.gender = StrGenderToNumGender("男");stu.mark = 98;printf("学号：%d\n", stu.id);printf("姓名: %s\n", stu.name);const char* gender = NumGenderToStrGender(stu.gender);printf("性别:%s\n", gender);printf("分数:%s\n", stu.mark);return 0;}

现在，我们使用 面向过程 风格写了 3 个函数和一个结构体，并且调用了这些函数，将函数返回的结果赋值给了结构体。接下来，让我们以面向对象风格来重新审视这段代码。

3.0 面向对象

在面向对象风格中，结构体被看做 数据（ data ），而操作数据的函数称作 方法（ method ）。目前函数和数据是分离的，函数并不直接操作数据，我们需要拿到函数返回的结果，再将其赋值给数据。

面向对象风格编程的第一大特性 --- 封装，它希望 方法直接操作数据 ，并且将数据和方法结合在一起，它们构成一个整体，而这个整体被称作对象。

此外，还有一个方法命名上的规则。一般来说， 获取数据的方法会被命名为 getXXX ，设置数据的方法会被命名为 setXXX 。

成员id的表示方式：

1. 将函数的第一个参数设置为 struct student * ，让函数直接操作 student 结构体。

2. 修改函数名，获取数据的方法命名为 getXXX ，设置数据的方法命名为 setXXX 。

4.0 封装特性

我们来看看学校里面最重要的主体是什么？是学生，学生肯定拥有很多属性，比如学生的学号、姓名、性别、考试分数等等。自然地，我们会声明一个结构体用于表示学生。

typedef struct
{int id;char name[20];int gender;int mark;
}StudentInfo_t;

注：将需要的信息封装为一个结构体内部包含学生的姓名，学号，性别，分数。

通过函数设置学生的id编号，函数可以通过结构体指针，直接操作结构体中的数据

void SetStudentId(StudentInfo_t* s, int year, int classNum, int serialNum)
{char buffer[20];sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);int id = atoi(buffer);s->id = id;
}

获取学生的性别函数，在面向对象的编程方法中获取数据的函数被我们设置为GetXXX，设置数据的函数被我们设置为SetXXX。

const char* GetGender(StudentInfo_t* s)
{if (s->gender == 0){return "女";}else if (s->gender == 1){return "男";}return "未知";
}

设置数据的方法

void SetGender(StudentInfo_t* s, const char* strGender)
{int numGender;if (strcmp("男", strGender) == 0){numGender = 1;}else if (strcmp("女", strGender) == 0){numGender = 0;}else{numGender = -1;}s->gender = numGender;
}

通过主函数进行调用

int main()
{StudentInfo_t stu;SetStudentId(&stu, 2022, 123, 26);strcpy(stu.name, "小明");SetGender(&stu, "男");stu.mark = 98;// 打印这些数值printf("学号:%d\n", stu.id);printf("姓名:%s\n", stu.name);const char* gender = GetGender(&stu);printf("性别:%s\n", gender);printf("分数:%d\n", stu.mark);
}

完整函数代码

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>typedef struct
{int id;char name[20];int gender;int mark;
}StudentInfo_t;void SetStudentId(StudentInfo_t* s, int year, int classNum, int serialNum)
{char buffer[20];sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);int id = atoi(buffer);s->id = id;
}const char* GetGender(StudentInfo_t* s)
{if (s->gender == 0){return "女";}else if (s->gender == 1){return "男";}return "未知";
}void SetGender(StudentInfo_t* s, const char* strGender)
{int numGender;if (strcmp("男", strGender) == 0){numGender = 1;}else if (strcmp("女", strGender) == 0){numGender = 0;}else{numGender = -1;}s->gender = numGender;
}int main()
{StudentInfo_t stu;SetStudentId(&stu, 2022, 123, 26);strcpy(stu.name, "小明");SetGender(&stu, "男");stu.mark = 98;// 打印这些数值printf("学号:%d\n", stu.id);printf("姓名:%s\n", stu.name);const char* gender = GetGender(&stu);printf("性别:%s\n", gender);printf("分数:%d\n", stu.mark);
}

目前，函数可以直接操作数据了。但是，函数和数据依然是两个独立的部分。我们要将 函数和数据结合 到一起，这样，这个整体就能被称作对象，函数可以称作属于这个对象的方法。 当前我们可以吧结构体理解为我们的数据，函数可以理解为我们的方法，数据和方法结合在一起可以称之为对象

对象.方法(对象指针，参数1，参数2， 参数3...)

接下来，我们举几个这种格式的例子：

stu.setGender(&stu, "男");

以上代码中，对象为 stu ，方法为 setGender 。通过对象 + 点 + 方法的形式，可以调用属于对

象 stu 的 setGender 方法。在方法的参数中传入性别男。这样，方法会把性别男转换为整形，并设置到对象 stu 的数据当中。

const char* gender = stu.getGender(&stu);

以上代码中， 对象为 stu ，方法为 getGender 。 通过对象 + 点 + 方法的形式，可以调用属于对

象 stu 的 getGender 方法。 getGender 方法从对象数据中获取整形表示的性别，并返回性别对应的字符你好编程串。在 C 语言中， 若要实现对象 + 点 + 方法的形式，我们可以借助于函数指针。

在结构中，声明这3个函数的函数指针。

5.0 面向对象

在结构体中声明函数指针

struct student {void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);const char* (*getGender)(struct student* s);void (*setGender)(struct student* s, const char* strGender);int id; // 学号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别int mark; // 分数
};

这个时候可以将结构体作为一个对象看待，使用对象（结构体变量）. 方法（函数）的方式进行参数的赋值和调用。

生成学生的id

void setStudentId(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum)
{char buffer[20];sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);int id = atoi(buffer);s->id = id;
}

获取学生的性别

const char* getGender(struct student* s)
{if (s->gender == 0){return "女";}else if (s->gender == 1){return "男";}return "未知";
}

设置学生的性别

void setGender(struct student* s, const char* strGender)
{int numGender;if (strcmp("男", strGender) == 0){numGender = 1;}else if (strcmp("女", strGender) == 0){numGender = 0;}else{numGender = -1;}s->gender = numGender;
}

初始化函数指针【对象初始化之后才能被调用】

void initStudent(struct student* s)
{s->setStudentId = setStudentId;s->getGender = getGender;s->setGender = setGender;
}

主函数相关代码

int main()
{struct student stu;// 初始化studentinitStudent(&stu);stu.setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);strcpy(stu.name, "小明");stu.setGender(&stu, "男");stu.mark = 98;// 打印这些数值printf("学号:%d\n", stu.id);printf("姓名:%s\n", stu.name);const char* gender = stu.getGender(&stu);printf("性别:%s\n", gender);printf("分数:%d\n", stu.mark);
}

完整代码

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>struct student {void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);const char* (*getGender)(struct student* s);void (*setGender)(struct student* s, const char* strGender);int id; // 学号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别int mark; // 分数
};void setStudentId(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum)
{char buffer[20];sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);int id = atoi(buffer);s->id = id;
}const char* getGender(struct student* s)
{if (s->gender == 0){return "女";}else if (s->gender == 1){return "男";}return "未知";
}void setGender(struct student* s, const char* strGender)
{int numGender;if (strcmp("男", strGender) == 0){numGender = 1;}else if (strcmp("女", strGender) == 0){numGender = 0;}else{numGender = -1;}s->gender = numGender;
}void initStudent(struct student* s)
{s->setStudentId = setStudentId;s->getGender = getGender;s->setGender = setGender;
}int main()
{struct student stu;// 初始化studentinitStudent(&stu);stu.setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);strcpy(stu.name, "小明");stu.setGender(&stu, "男");stu.mark = 98;// 打印这些数值printf("学号:%d\n", stu.id);printf("姓名:%s\n", stu.name);const char* gender = stu.getGender(&stu);printf("性别:%s\n", gender);printf("分数:%d\n", stu.mark);
}

6.0 继承基本概念

除了学生之外，学校里面还需要有老师，老师也具有很多属性。例如：

工号
姓名
性别
任课科目

声明一个结构体用于表示老师。

struct teacher 
{int id; // 工号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别char subject[20]; // 任课科目
};

比较一下学生和老师的结构体，看看它们之间有什么共同之处与不同之处。

struct teacher {int id; // 工号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {int id; // 学号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别int mark; // 分数
};

共同之处如下：

编号
姓名
性别

不同之处：

学生有考试分数
老师有任课科目

我们可以把两个结构体中的共同之处抽象出来，让它共同之处成为一个新的结构。这个结构体具有老师和学生的共性，而老师与学生它们都是人，可以把这个结构体命名为 person 。

struct person{int id; // 编号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别
};

接下来，我们可以让老师和学生结构包含这个 person 对象。

struct teacher {struct person super;char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {struct person super;int mark; // 分数
};

让我们比较一下原有代码与现有代码

// 原有代码
struct teacher {int id; // 工号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {int id; // 学号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别int mark; // 分数
};
// 现有代码
struct person{int id; // 编号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别
};
struct teacher {struct person super;char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {struct person super;int mark; // 分数
};

原有代码中，老师和学生结构体中，均有 id 、 name 、 gender 三个变量。现有代码中，将这 3 个变量抽象成结构体 person 。这样一来，有两个好处：

1. 减少重复代码
2. 代码层次更清晰

由于 student 和 teacher 拥有 person 的一切，因此，我们可以说， student 与 teacher 均继承

于 person 。 person 是 student 与 teacher 的父对象。 student 与 teacher 是 person 的子对象。

刚刚我们只讨论了数据，现在我们结合上方法一起讨论

struct person{int id; // 编号char name[20]; // 姓名int gender; // 性别
};
struct teacher {struct person super;char subject[20]; // 任课科目
};
struct student {struct person super;int mark; // 分数void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);const char* (*getGender)(struct student* s);void (*setGender)(struct student* s, const char* strGender);
};

之前我们为 student 写了 3 个方法

设置性别
获取性别
设置学号

其中，性别相关的方法也属于共性的方法。可以把这两个函数指针移动到 person 对象里面去，注意，要把方法的第一个参数 struct student * 修改为 struct person * 。移动后，子对象 student 与 teacher 均可以使用这一对性别相关的方法。而设置学号的方法，为 student 独有的方法，因此保持不变，依然将其放置在 student 对象内。

创建一个Person方法，内部包含

struct person 
{int id;char name[20];int gender;const char* (*getGender)(struct student* s);void (*setGender)(struct student* s, const char* strGender);
};struct teacher 
{// 创建结构体成员变量struct person super;char subject[20];
};struct student {void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);struct person super;int mark; // 分数
};

对应上面的更改，函数 getGender 与 setGender 的第一个参数也要由 struct student * 修改

为 struct person * 。

const char* getGender(struct person* p)
{if (p->gender == 0){return "女";}else if (p->gender == 1){return "男";}return "未知";
}void setGender(struct person* p, const char* strGender)
{int numGender;if (strcmp("男", strGender) == 0){numGender = 1;}else if (strcmp("女", strGender) == 0){numGender = 0;}else{numGender = -1;}p->gender = numGender;
}

此外， setStudentId 函数中， id 成员，不在 student 中，而是在 student 中的 person 中。这里也要对应的修改一下。

void setStudentId(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum)
{char buffer[20];sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);int id = atoi(buffer);s->super.id = id;
}

还有，别忘了给结构初始化函数指针。

void initPerson(struct person* p) 
{p->getGender = getGender;p->setGender = setGender;
}void initStudent(struct student* s)
{initPerson(&(s->super));s->setStudentId = setStudentId;
}void initTeacher(struct teacher* t) 
{initPerson(&(t->super));
}

main函数调用

int main()
{struct student stu;// 初始化studentinitStudent(&stu);stu.setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);strcpy(stu.super.name, "小明");stu.super.setGender(&stu.super, "男");stu.mark = 98;// 打印这些数值printf("学号:%d\n", stu.super.id);printf("姓名:%s\n", stu.super.name);const char* gender = stu.super.getGender(&stu.super);printf("性别:%s\n", gender);printf("分数:%d\n", stu.mark);putchar('\n');struct teacher t;// 初始化teacherinitTeacher(&t);t.super.id = 12345;strcpy(t.super.name, "林老师");t.super.setGender(&t.super, "男");strcpy(t.subject, "C语言");// 打印这些数值printf("学号:%d\n", t.super.id);printf("姓名:%s\n", t.super.name);gender = t.super.getGender(&t.super);printf("性别:%s\n", gender);printf("科目:%s\n", t.subject);
}

完整代码

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>struct person 
{int id;char name[20];int gender;const char* (*getGender)(struct student* s);void (*setGender)(struct student* s, const char* strGender);
};struct teacher 
{// 创建结构体成员变量struct person super;char subject[20];
};struct student {void (*setStudentId)(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum);struct person super;int mark; // 分数
};void setStudentId(struct student* s, int year, int classNum, int serialNum)
{char buffer[20];sprintf(buffer, "%d%d%d", year, classNum, serialNum);int id = atoi(buffer);s->super.id = id;
}const char* getGender(struct person* p)
{if (p->gender == 0){return "女";}else if (p->gender == 1){return "男";}return "未知";
}void setGender(struct person* p, const char* strGender)
{int numGender;if (strcmp("男", strGender) == 0){numGender = 1;}else if (strcmp("女", strGender) == 0){numGender = 0;}else{numGender = -1;}p->gender = numGender;
}void initPerson(struct person* p) 
{p->getGender = getGender;p->setGender = setGender;
}void initStudent(struct student* s)
{initPerson(&(s->super));s->setStudentId = setStudentId;
}void initTeacher(struct teacher* t) 
{initPerson(&(t->super));
}int main()
{struct student stu;// 初始化studentinitStudent(&stu);stu.setStudentId(&stu, 2022, 123, 26);strcpy(stu.super.name, "小明");stu.super.setGender(&stu.super, "男");stu.mark = 98;// 打印这些数值printf("学号:%d\n", stu.super.id);printf("姓名:%s\n", stu.super.name);const char* gender = stu.super.getGender(&stu.super);printf("性别:%s\n", gender);printf("分数:%d\n", stu.mark);putchar('\n');struct teacher t;// 初始化teacherinitTeacher(&t);t.super.id = 12345;strcpy(t.super.name, "林老师");t.super.setGender(&t.super, "男");strcpy(t.subject, "C语言");// 打印这些数值printf("学号:%d\n", t.super.id);printf("姓名:%s\n", t.super.name);gender = t.super.getGender(&t.super);printf("性别:%s\n", gender);printf("科目:%s\n", t.subject);
}

程序运行结果

7.0 多态

struct Rect {
void (*draw)(struct Rect *);int left;int top;int right;int bottom;
};
struct Circle {
void (*draw)(struct Circle *);int x;int y;int r;
};
struct Triangle {
void (*draw)(struct Triangle *);POINT p1;POINT p2;POINT p3;
};

我们仔细观察这 3 个对象，看看它们分别有什么共性？可以发现，这 3 个对象，它们都有一个 draw 方法。那么，我们可以将 draw 这个方法抽象出来，单独放置到一个对象当中。由于这三个对象都是形状。我们可以把单独抽象出来的对象，命名为 shape 。 shape 对象中的 draw 方法，应当是一个共性的方法，所以，它的参数应当设置为 struct Shape * 。

struct Shape {
void (*draw)(struct Shape *);
};

这是共性的结构体，可以称之为结构体对象

接下来，让 Rect 、 Circle 、 Triangle 三个对象分别都包含 Shape 对象。这样，它们就都能使

用 draw 这个方法了。

struct Rect {struct Shape super;int left;int top;int right;int bottom;
};
struct Circle {struct Shape super;int x;int y;int r;
};
struct Triangle {struct Shape super;POINT p1;POINT p2;POINT p3;
};

这里有一个需要注意的地方， 父对象与子对象的内存排布必须重合。

例如：下图中，上面的两个对象内存排布可以重合。而下面的两个对象的内存排布无法重合。

如果父对象和子对象的内存排布不重合会出现错误

像下面一样的声明 Rect 是正确的。

// 正确
struct Rect {struct Shape super;int left;int top;int right;int bottom;
};

而下面一样的声明 Rect 是错误的。

// 错误
struct Rect {int left;int top;int right;int bottom;struct Shape super;
};

接着，我们需要修改各对象的初始化函数。将原有的 r->draw 改为 r->super.draw 。

void initRect(struct Rect* r)
{r->super.draw = drawRect;
}
void initCircle(struct Circle* c)
{c->super.draw = drawCircle;
}
void initTriangle(struct Triangle* t)
{t->super.draw = drawTriangle;
}

注意，这里还有一个问题，函数内赋值运算符左边的函数指针 r->super.draw 的类型为 void (*)(struct Shape*) ，参数为 struct Shape * 。而赋值运算符右边的函数指针类型分别为：

void (*)(struct Rect*)
void (*)(struct Circle*)
void (*)(struct Triangle*)

函数指针参数类型不一致，无法进行赋值。我们可以把右边的函数指针强制类型转换为 void (*)(struct Shape*) 。

void initRect(struct Rect* r)
{r->super.draw = (void (*)(struct Shape*))drawRect;
}
void initCircle(struct Circle* c)
{c->super.draw = (void (*)(struct Shape*))drawCircle;
}
void initTriangle(struct Triangle* t)
{t->super.draw = (void (*)(struct Shape*))drawTriangle;
}

我们考虑一下怎样来使用这些对象。

struct Rect r = { {}, - 200, 200, 200, 0 };
struct Circle c = { {},0, 0, 100 };
struct Triangle t = { {}, {0, 200}, {-200, 0}, {200, 0} };

首先，声明 Rect 、 Circle 、 Triangle 这 3 个对象，并使用初始化列表将其初始化。注意，由于它们的第一个成员为 super ，所以，这里使用空列表 {} ，将 super 成员初始化为零。

initRect(&r);
initCircle(&c);
initTriangle(&t);

让三个对象分别调用各自的初始化函数，给各自对象 super 成员中的 draw 设置为各自对应的绘图函数。

r.super.draw 设置为 drawRect
c.super.draw 设置为 drawCircle
t.super.draw 设置为 drawRTriangle
struct Shape *arrShape[3] = {
(struct Shape *)&r, (struct Shape*)&c, (struct Shape*)&t};

声明一个元素类型为 struct Shape * 的数组，元素个数为 3 。分别用 r 的指针， c 的指针， t 的指针初始化。注意，这里也需要进行强制类型转换，否则初始化列表里面的指针类型和数组元素的指针类型不一致。

for (int i = 0; i < 3; i++)
{arrShape[i]->draw(arrShape[i]);
}

到了关键的一步，使用循环，依次调用 draw 函数。由于3次循环中的 draw 函数分别为各个图形各自的绘图函数。所以，虽然统一调用的是 draw ，但是，却可以执行它们各自的绘图函数。至此，不同实现的方法，在此得到统一。

完整代码实现

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <easyx.h>
#include <stdlib.h>struct Shape
{void (*draw)(struct Shape*);
};struct Rect 
{struct Shape super;int left;int top;int right;int bottom;
};struct Circle 
{struct Shape super;int x;int y;int r;
};struct Triangle 
{struct Shape super;POINT p1;POINT p2;POINT p3;
};void drawRect(struct Rect* r) 
{rectangle(r->left, r->top, r->right, r->bottom);
}void drawCircle(struct Circle* c) 
{circle(c->x, c->y, c->r);
}void drawTriangle(struct Triangle* t)
{line(t->p1.x, t->p1.y, t->p2.x, t->p2.y);line(t->p2.x, t->p2.y, t->p3.x, t->p3.y);line(t->p3.x, t->p3.y, t->p1.x, t->p1.y);
}void InitRect(struct Rect* r)
{r->super.draw = (void(*)(struct Shape*)) drawRect;
}void InitCircle(struct Circle* c)
{c->super.draw = (void(*)(struct Shape*))drawCircle;
}void InitTriangle(struct Triangle* t)
{t->super.draw = (void(*)(struct Shape*))drawTriangle;
}int main()
{initgraph(800, 600);setaspectratio(1, -1);setorigin(400, 300);setbkcolor(WHITE);setlinecolor(BLACK);cleardevice();struct Rect r = { {}, - 200, 200, 200, 0 };struct Circle c = { {},0, 0, 100 };struct Triangle t = { {}, {0, 200}, {-200, 0}, {200, 0} };InitRect(&r);InitCircle(&c);InitTriangle(&t);struct Shape* arrShape[3] ={(struct Shape*)&r,(struct Shape*)&c,(struct Shape*)&t};for (int i = 0; i < 3; i++) {arrShape[i]->draw(arrShape[i]);}getchar();closegraph();return 0;
}