用C表达面向对象语言的机制——C#版
阅读目录(Content)
- 1. 目标
- 2. 封装字段和方法
- 3. 实现继承
- 4. 用Convert2Type代替as
- 5. 用链表代替interface
- 6. 虚函数与接口与多次继承
- 7. public、protected和private
- 8. 结论
- 2016-05-15
- 感想
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用C表达面向对象语言的机制——C#版
我一直认为，面向对象语言是对面向过程语言的封装。如果是这样，那么就应该能够用C来模拟C#的代码风格，写出面向对象形式的代码。本文逐步展示了与C#对应的C代码是如何实现的。
1. 目标
面向对象语言的三大特性（封装、继承、多态）中，封装和继承的C版写法需要研究，而多态似乎不关乎新的写法。
所以本文就展示如何用C来模拟C#的封装、继承、虚方法、关键字as和interface的写法。
2. 封装字段和方法
例如如下的C#代码，写了一个典型的类。
class BaseClass
{
public int baseField1 = 0;
public void BaseMethod1()
{
Console.WriteLine("BaseClass.BaseMethod1()");
}
}
其典型的使用方式如下。
// create a BaseClass object
BaseClass pBaseClassObj = new BaseClass();
// use BaseClass object's field
Console.Write("BaseClass obj : pBaseClassObj->baseField1({0})\n", pBaseClassObj.baseField1);
// use BaseClass object's method
pBaseClassObj.BaseMethod1();
如果想用C来实现类似的使用方式，应该如何写呢？
1) 用struct代替class
用C的struct代替C#的class的字段
typedef struct _BaseClass
{
int baseField1;
} BaseClass;
但是struct没有“在类型里面写方法”这种功能。我们用变通的方法来实现。
void BaseMethod1(BaseClass * pThis)
{
printf("BaseClass.BaseMethod1()\n");
}
就是说，每个方法都加上指向这个结构体的指针。
2) 用New[ClassName]代替new
一个class类型都有至少一个构造方法，是专门给new关键字用的。所以我们写一个C版的new方法。
BaseClass * NewBaseClass()
{
// initialize base class
// alloc for space
BaseClass * pResult = (BaseClass * )malloc(sizeof(BaseClass));
// initialize fields
pResult->baseField1 = 0;
// return result
return pResult;
}
C版的New方法用malloc来申请内存空间，这样就把对象new到了堆上，和面向对象语言的处理方式相同。
其使用方法如下。
// create a BaseClass object
BaseClass * pBaseClassObj = NewBaseClass();
// use BaseClass object's field
printf("BaseClass obj : pBaseClassObj->baseField1(%d)\n", pBaseClassObj->baseField1);
// use BaseClass object's method
BaseMethod1(pBaseClassObj);
与C#版的使用方法异曲同工。
3. 实现继承
在上文的BaseClass基础上，来展示如下代码的实现。
class DerivedClass : BaseClass
{
public int derivedField1 = 0;
public void DerivedMethod1()
{
Console.WriteLine("DerivedClass.DerivedMethod1()");
}
}
3) 用组合代替继承
仍然用struct来代替class，但DerivedClass继承了BaseClass这一性质，如何实现呢？C语言虽然没有“继承”的概念，但是struct可以“组合”（与C#的组合概念一样），我们用一个BaseClass的指针来表示“继承”的概念。
用组合模拟继承的机制
在C 版的构造函数NewDerivedClass()里，首先构造了一个“基类”BaseClass的对象，然后赋值给DerivedClass对象的pBase指针。这里也符合面向对象语言“先调用父类的构造函数，再调用子类的构造函数”的特点。具体地说，是“首先，子类的构造函数调用父类的构造函数；然后，完成对父类构造函数的调用；最后，完成对子类函数的调用”。
子类的典型使用方式是：
// create a DerivedClass object
DerivedClass pDerivedClassObj = new DerivedClass();
// use DerivedClass object's field
Console.Write("DerivedClass obj : pDerivedClassObj->derivedField1({0})\n", pDerivedClassObj.derivedField1);
// use DerivedClass object's base class' field
Console.Write("DerivedClass obj : pDerivedClassObj->baseField1({0})\n", pDerivedClassObj.baseField1);
// use DerivedClass object's method
pDerivedClassObj.DerivedMethod1();
// use DerivedClass object's base class' method
pDerivedClassObj.BaseMethod1();
C版的DerivedClass使用方式，仍然与此类似。
// use DerivedClass object's field
DerivedClass * pDerivedClassObj = NewDerivedClass();
// use DerivedClass object's field
printf("DerivedClass obj : pDerivedClassObj->derivedField1(%d)\n", pDerivedClassObj->derivedField1);
// use DerivedClass object's base class' field
printf("DerivedClass obj : pDerivedClassObj->baseField1(%d)\n", pDerivedClassObj->pBase->baseField1);
// use DerivedClass object's method
DerivedMethod1(pDerivedClassObj);
// use DerivedClass object's base class' method
BaseMethod1(pDerivedClassObj->pBase);
这里可以看到，“子类”DerivedClass能够调用自身的字段和方法，也能够借助pBase指针调用父类的字段和方法，完全达到了面向对象语言的要求。
4) 用函数指针代替virtual
继承还有一个特性，就是虚方法。C语言如何做到呢？答案就是使用函数指针。
为展示清楚，我们重新定义两个类。
class VirtualClass
{
public virtual void VirtualMethod1()
{
Console.Write("VirtualClass.VirtualMethod1()\n");
}
}
class OverrideClass : VirtualClass
{
public override void VirtualMethod1()
{
Console.Write("OverrideClass.VirtualMethod1()\n");
//base.VirtualMethod1();
}
}
其典型的使用方式如下。
// create a VirtualClass object
VirtualClass virtualClassObj = new VirtualClass();
virtualClassObj.VirtualMethod1();
// create a OverrideClass object
OverrideClass overrideClassObj = new OverrideClass();
overrideClassObj.VirtualMethod1();
// OverrideClass object assigned to VirtualClass object
VirtualClass pVirtualClass = new OverrideClass();
pVirtualClass.VirtualMethod1();
其输出应该是：
VirtualClass.VirtualMethod1() OverrideClass.VirtualMethod1() OverrideClass.VirtualMethod1()
虚函数的关键性质，在于父类知道子类的override函数在哪儿，这只能在创建子类的时候，改变父类能够调用的函数。所以很自然就需要函数指针帮忙。按照上文的方法，在New[ClassName]创建父类的时候，让父类对象的函数指针指向父类的virtual方法。等父类对象创建完毕，继续创建子类对象的时候，修改父类对象的函数指针，使其指向子类的override方法。（这就要求父类和virtual方法和子类的override方法的声明完全相同）
其C版代码如下。
VirtualClass
OverrideClass
C版的使用方法如下。
// create a VirtualClass object
VirtualClass * virtualClassObj = NewVirtualClass();
virtualClassObj->pVirtual1(virtualClassObj);
// create a OverrideClass object
OverrideClass * overrideClassObj = NewOverrideClass();
overrideClassObj->pBase->pVirtual1(overrideClassObj->pBase);
// OverrideClass object assigned to VirtualClass object
VirtualClass * pVirtualClass = NewOverrideClass()->pBase;
pVirtualClass->pVirtual1(pVirtualClass);
其使用方式异曲同工，而输出和C#版是一样的。
如果基类有多个virtual方法，其声明相同，就可以使用函数指针数组；有几种不同声明的virtual方法，基类就要有几个函数指针（或数组）指着他们。
4. 用Convert2Type代替as
5) 使用关键字as
看如下的例子。
class FullClassBase
{
}
class FullClassDerived : FullClassBase
{
public int fcdField1 = 0;
public void fcdMethod1()
{
Console.Write("FullClassDerived.fcdMethod1()\n");
}
}
其使用方式如下。
FullClassBase baseObj = new FullClassDerived();
FullClassDerived derivedObj = baseObj as FullClassDerived;
if (null != derivedObj)
{
derivedObj.fcdMethod1();
}
上一节展示了在C中，如何用父类的指针指向子类的对象。而这里的C#的关键字“as”将父类的指针还原为子类的指针，这是如何实现的？
答案：as可以用一个函数代替。函数名叫做Convert2Type（随便你喜欢什么名字）。as的本质就是一个函数。
我们要做的是：已知一个对象的指针，已知要转换出来的目标类的类型，求出该对象指向目标类的指针。若不存在，则返回NULL。
我们需要一些准备工作。
6) 准备类型标识结构
|
1 |
每个类型都要有一个标识符（用int即可），用以区分不同的类型 |
|
2 |
基类对象要有一个指向子类对象的指针，由于子类可能有多种，显然只能用void *类型 |
每一个类型都要记录父类指针、子类指针、唯一标识符等内容。另外，Convert2Type函数只能有一个声明，不可能把所有类型的指针都传给他。为了给他尽可能多的数据，我们需要将类型的父类指针、子类指针、唯一标识符等信息封装为一个单独的struct Metadata。具有继承关系的类型，其Metadata对象也相互指向。这样，Metadata就包含了描述全部继承关系的数据。
typedef struct _Metadata Metadata
为方便说明Convert2Type的实现原理，我们再定义C版的FullClassBase和FullClassDerived。
FullClassBase in C
FullClassDerived in C
现在，Metadata持有父类、自身、子类的信息，将其作为参数传入Convert2Type函数，是足够找到目标类型的。
7) 实现Convert2Type
Convert2Type
C版的使用方式如下。
FullClassBase * baseObj = (FullClassBase *)(NewFullClassDerived()->metaInfo->pBaseIdentifier->pThis);
FullClassDerived * derivedObj = (FullClassDerived *)Convert2Type(baseObj->metaInfo, FullClassDerivedTypeId);
if (NULL != derivedObj)
{
fcdMethod1(derivedObj);
}
关键字“as”通过Convert2Type函数和一个C语言的强制类型转换实现了。
5. 用链表代替interface
C#中的一类可以实现多个interface，这在C中如何表达？
答案是：首先，interface也用struct代替。Interface只不过是一个特殊的类类型，其内部字段都是函数指针。C#的类实现interface，实际上仍然是继承了这个interface类型。这和继承父类类型没有区别。但一个类可以实现多个interface，这就需要用链表来记录这些interface了。
8) 创建链表类型LinkNode
typedef struct _LinkNode LinkNode
其中的void * pValue;用于保存这个类型实现的接口的Metadata。
9) 为Metadata添加用于记录interface的链表指针
新的Metadata
10) 修改Convert2Type函数
新的Convert2Type函数
11) 验证
下面就来验证一下。
我们创建一个interface类型，让FullClassBase实现他。
interface InterfaceClass
{
void Method4InterfaceClass();
}
class FullClassBase : InterfaceClass
{
public void Method4InterfaceClass()
{
Console.Write("FullClassBase.Method4InterfaceClass()\n");
}
}
对应的C代码如下。
typedef struct _InterfaceClass
{
Metadata * metaInfo;
void (*pInterfaceMethod1)(_InterfaceClass *);
} InterfaceClass;
static int InterfaceClassTypeId = 6;
InterfaceClass * NewInterfaceClass()
{
InterfaceClass * result = (InterfaceClass *)malloc(sizeof(InterfaceClass));
result->metaInfo = NewMetadata(result, InterfaceClassTypeId, NULL);
result->pInterfaceMethod1 = NULL;
return result;
}
typedef struct _FullClassBase
{
// basic info
Metadata * metaInfo;
// fields
// virtual methods
} FullClassBase;
// type id
static int FullClassBaseTypeId = 4;
// method declarations
void Method4InterfaceClass(InterfaceClass * pInterfaceClass);
// the new method
FullClassBase * NewFullClassBase()
{
// alloc for space
FullClassBase * pResult = (FullClassBase *)malloc(sizeof(FullClassBase));
// initialize basic info
pResult->metaInfo = NewMetadata(
pResult,
FullClassBaseTypeId,
NULL);
InterfaceClass * interfacePart = NewInterfaceClass();
interfacePart->metaInfo->pDerivedIdentifier = pResult->metaInfo;
interfacePart->pInterfaceMethod1 = Method4InterfaceClass;
LinkNode * nextNode = NewLinkNode();
nextNode->pValue = interfacePart->metaInfo;
pResult->metaInfo->pInterfaceList->pNext = nextNode;
// initialize fields
// initialize virtual methods
// return result
return pResult;
}
void Method4InterfaceClass(InterfaceClass * pInterfaceClass)
{
printf("FullClassBase.Method4InterfaceClass()\n");
}
C#版的使用方式如下。
FullClassBase obj = new FullClassBase();
obj.Method4InterfaceClass();
InterfaceClass interfaceObj = obj as InterfaceClass;
interfaceObj.Method4InterfaceClass();
对应的C版代码的使用方式如下。
FullClassBase * obj = NewFullClassBase();
Method4InterfaceClass((InterfaceClass *)Convert2Type(obj->metaInfo, InterfaceClassTypeId));
InterfaceClass * interfaceObj = (InterfaceClass *)Convert2Type(obj->metaInfo, InterfaceClassTypeId);
Method4InterfaceClass(interfaceObj);
12) 关于interface的性质
有了interface以后，实际上就是出现了“多继承”。
一个接口可以被多个类型继承，所以C版代码里，interface里的函数指针类型的第一个参数只能是interface本身。即：一个类型A，实现了interface X里的方法，就意味着这个方法的第一个参数类型变成了X的指针（而不再是A的指针）。
基于这样的C版设计，在调用接口函数时，一定会发生类型转换（调用Convert2Type函数）。
所以，如果在interface里的方法，需要用this指针的时候，会发生从X的指针到A的指针的类型转换。
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6. 虚函数与接口与多次继承
如果接口的方法在基类里标记为virtual，并且在子类和孙类里都override了，会怎么样？
虚函数与接口与多次继承
对于这样的情况，下面的情形会输出什么？
VirtualAndInterfaceDerived2 obj = new VirtualAndInterfaceDerived2();
VirtualAndInterfaceBase baseObj = obj;
VirtualAndInterfaceInterface interfaceObj = obj;
obj.InterfaceMethod();
baseObj.InterfaceMethod();
interfaceObj.InterfaceMethod();
答案是三行“VirtualAndInterfaceDerived2.InterfaceMethod()”，即全部调用了最后override的方法。就是说，转换出来的C代码中，除了基类的virtual方法的函数指针外，接口对象的函数指针也要修改为指向最后override的函数。
这又带来一个问题。如果我们定义一个新的接口。
interface VirtualAndInterfaceInterface2
{
void InterfaceMethod();
}
这个新接口和VirtualAndInterfaceInterface所拥有的方法声明相同。现在让VirtualAndInterfaceDerived2实现这个接口。
class VirtualAndInterfaceDerived2 : VirtualAndInterfaceDerived, VirtualAndInterfaceInterface2
{
public override void InterfaceMethod()
{
Console.WriteLine("VirtualAndInterfaceDerived2.InterfaceMethod()");
}
}
我们发现无需其他改动即可编译。
根据之前的结论，在C版代码中，接口类型的函数指针的第一个参数类型只能是接口类型本身。这也使得class类型的C版类型中，其函数类型的第一个参数只能是接口类型。但是在这个例子里，InterfaceMethod方法同时成为VirtualAndInterfaceInterface和VirtualAndInterfaceInterface2的方法。那么InterfaceMethod的第一个参数类型就无从选择了。
为解决这个问题，我们重新审视接口的定义。在C版代码中，InterfaceMethod第一个参数类型，就应该是接口本身，这无法改变。实现了此接口的类类型，应该单独为InterfaceMethod添加一个声明和InterfaceMethod相同的函数，以满足该接口的需要。在类类型里的InterfaceMethod，借助Convert2Type函数，直接调用自己内部的InterfaceMethod函数。
C版的代码如下。
VirtualAndInterfaceInterface
VirtualAndInterfaceInterface2
VirtualAndInterfaceBase
VirtualAndInterfaceDerived
VirtualAndInterfaceDerived2
简单来说，类型C实现了接口IC，那么，C就要为IC的各个函数分别创建声明完全相同的函数，这些函数通过Convert2Type得到需要的类型指针，再调用C内部的函数。
7. public、protected和private
这三个关键字用C是无法实现的，他们是面向对象语言在编译器进行语义分析时进行处理的。如果不符合规定（例如类型外调用了private的字段），编译器就报错，不给你生成代码。仅此而已。
8. 结论
我们规定：
CA表示基类，CA实现的接口为ICA1，ICA2，。。。 CB继承自CA，CB实现的接口为ICB1，ICB2，。。。 CC继承自CC，CC实现的接口为ICC1，ICC2，。。。 某类型X包含的字段为XF1，XF2，。。。 某类型X包含的方法为XM1，XM2，。。。
那么，可以用如下规则将C#代码翻译为C代码。
类型X用struct代替，X中的字段用相应的字段代替；X中的方法用以X的指针为第一个参数的函数代替。 为X添加一个Metadata结构体的指针，用于记录X的实例的信息：基类实例、子类实例、接口实例（链表）、类型编号、实例本身。 为Metadata编写Convert2Type函数，返回给定实例关联的目标类型的实例。 为X分配一个唯一的整数作为类型编号。 为X编写NewX函数，返回X的实例。 CB的NewCB函数， 先创建CA的实例， 然后创建ICB1、ICB2。。。的实例， 然后创建CB的实例， 然后修改CA实例的子类实例指针（指向CB实例）， 然后修改ICB1、ICB2。。。的函数指针（指向CB的函数）， 然后修改CA中virtual方法的函数指针（指向CB的函数），若此virtual方法也是ICAn的方法，也要修改ICAn的函数指针（指向CB的函数）。
最后强调一下容易混淆的地方。
CA中的virtual方法，在CB中可以override掉，然后还可以继续在CC中override掉。（而不是不可以继续override）其函数指针指向最后override的方法。 CA中的virtual方法，如果恰好也是ICA1中的方法，则ICA1中的函数指针也要指向最后override的方法。（而不是CA中的virtual方法）
2016-05-15
感想
至此，本文展示了面向对象语言中的class、new、virtual/override、as、interface等关键字的实现机制，展示了将C#翻译为C的方法。
很早就在想，面向对象语言到底是如何实现的。封装还简单，用struct代替class即可。继承的虚函数特性，只听过是通过“晚绑定”实现的，然后就找不到其他资料了。这几天趁国庆假期好好想了想，边想边做，用C实现了面向对象的语言特性，也证实了“面向对象语言是对面向过程语言的封装”这句话。
现在有了把面向对象语言的代码翻译为面向过程语言的代码的途径。这让我开始反思，为什么要把C封装为面向对象语言？面向对象语言是如何从无到有的？最开始的那个人是怎么设计出这样一套机制的？他之前没有面向对象的任何概念，他的思路是什么？
最后贴上自己总结的一段话。
机器语言（01串）是对数字电路的计算和控制逻辑的封装，人可以用打孔纸带来控制计算机。汇编语言（指令代码）是对机器语言的封装，人可以用易于理解、记忆和维护的名称来（间接）写机器语言。面向过程语言（例如C）是对汇编语言的封装，人可以用模块化的设计思路编写代码。面向对象语言（例如C#）是对面向过程语言的封装，人可以用模拟现实世界的思路编写代码。
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