楊韜

　　（廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司，廣東 廣州 510660）

       摘要：多年以來(lái)，C語(yǔ)言在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中被廣泛使用，但由于開(kāi)發(fā)人員和應(yīng)用場(chǎng)景等原因，面向?qū)ο?/a>、設(shè)計(jì)模式等優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)方法始終沒(méi)有很好地運(yùn)用起來(lái)。時(shí)至今日，物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的興起，給嵌入式軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)的面向過(guò)程開(kāi)發(fā)已經(jīng)難以支撐這些復(fù)雜的應(yīng)用。因此，有必要在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中引入面向?qū)ο?、設(shè)計(jì)模式等優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)方法。面向?qū)ο笫乾F(xiàn)代軟件方法的根基，面向?qū)ο篌w現(xiàn)在類上，而封裝為類的第一大特性。文章以類的封裝特性為切入點(diǎn)，結(jié)合C語(yǔ)言的特性，討論了C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)類封裝的方法，并給出了實(shí)例。

　　關(guān)鍵詞：C語(yǔ)言；面向?qū)ο?；類；封裝

0引言

　　物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的興起，給嵌入式軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)的面向過(guò)程開(kāi)發(fā)已經(jīng)難以支撐這些復(fù)雜的應(yīng)用。因此，有必要在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中引入面向?qū)ο蟆⒃O(shè)計(jì)模式等優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)方法。本文首先介紹了面向?qū)ο蟊匾幕靖拍?，然后引入了UML類圖，通過(guò)使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)Human類，討論了如何使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)類的封裝特性，并給出了對(duì)應(yīng)的分析。

1基本概念

　　1.1對(duì)象［1］

　　對(duì)象是人們要進(jìn)行研究的任何事物，從最簡(jiǎn)單的整數(shù)到復(fù)雜的飛機(jī)等均可看作對(duì)象，它不僅能表示具體的事物，還能表示抽象的規(guī)則、計(jì)劃或事件。

　　對(duì)象具有狀態(tài)，一般用數(shù)據(jù)值來(lái)描述它的狀態(tài)。

　　對(duì)象還有操作，用于改變對(duì)象的狀態(tài)，對(duì)象及其操作就是對(duì)象的行為。

　　對(duì)象實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和操作的結(jié)合，使數(shù)據(jù)和操作封裝于對(duì)象的統(tǒng)一體中。

　　1.2面向?qū)ο?/strong>

　　簡(jiǎn)而言之，面向?qū)ο缶褪前芽陀^存在或主觀抽象的事物(即對(duì)象)抽象成類。

　　所謂抽象就是去異求同，從眾多的事物(即對(duì)象)中抽取出共同的、本質(zhì)性的特征，舍棄其非本質(zhì)的特征。比如香蕉、蘋(píng)果、哈密瓜等，它們共同的特性就是水果。得出水果概念的過(guò)程就是一個(gè)抽象的過(guò)程。在抽象時(shí)，同與不同，取決于從什么角度上來(lái)抽象。抽象的角度取決于分析問(wèn)題的目的。

　　具有相同特性（數(shù)據(jù)元素）和行為（功能）的對(duì)象的抽象就是類。因此，對(duì)象的抽象是類，類的具體化就是對(duì)象，也可以說(shuō)類的實(shí)例是對(duì)象。

　　1.3類

　　面向?qū)ο笥腥筇匦裕悍庋b、繼承、多態(tài)，這些特性主要通過(guò)類來(lái)體現(xiàn)。類就是一個(gè)封裝了屬性以及相關(guān)操作的代碼的邏輯實(shí)體。

　　類具有屬性，它是對(duì)象的狀態(tài)的抽象，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述類的屬性。

　　類具有方法，它是對(duì)象的行為的抽象，用方法名和實(shí)現(xiàn)該操作的方法來(lái)描述。

　　除了封裝屬性和操作外，類還具有訪問(wèn)控制的功能，比如，某些屬性和方法可以是私有的，不能被外界訪問(wèn)，通過(guò)訪問(wèn)控制，能夠?qū)?nèi)部數(shù)據(jù)提供不同級(jí)別的保護(hù)，以防止外界意外地改變或使用了私有部分。不同的編程語(yǔ)言提供的訪問(wèn)控制等級(jí)不盡相同，但都有公有、私有兩個(gè)等級(jí)。

　　類是抽象的數(shù)據(jù)類型，在內(nèi)存中并不存在(Python等動(dòng)態(tài)語(yǔ)言除外)，只有類的實(shí)例存在于內(nèi)存中。

2UML類圖

　　在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，通常使用UML工具來(lái)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。比如，可以使用UML類圖來(lái)描述類。

　　UML類圖很簡(jiǎn)單，用一個(gè)矩形框代表一個(gè)類，矩形框內(nèi)部被隔為三部分：上面部分為類的名字，中間部分為類的屬性，下面部分為類的方法。對(duì)于屬性和方法，還可以使用“+”、“-”修飾符來(lái)表示訪問(wèn)權(quán)限，“+”為公有屬性、“-”為私有屬性。

　　如圖1所示，該類圖描述了一個(gè)名為“Human”的類?！癏uman”類抽象并封裝了“人”；屬性“name”是對(duì)人姓名的抽象，因?yàn)槿说男彰枪_(kāi)的，所以被設(shè)置為公有屬性；屬性“money”是對(duì)人所擁有的財(cái)富的抽象，因?yàn)槊總€(gè)人的財(cái)富都不是公開(kāi)的，所以被設(shè)置為私有屬性；方法“buy”是對(duì)購(gòu)物這一行為的抽象，方法“talk”是對(duì)講話這一行為的抽象，這兩個(gè)方法都是社會(huì)活動(dòng)，所以被設(shè)置為公有屬性。

　　設(shè)計(jì)類的過(guò)程就是抽象的過(guò)程，抽象的結(jié)果取決于抽象時(shí)所站的角度，比如，如果是警察來(lái)抽象“Human”，他可能會(huì)添加一個(gè)“isBadGuy”屬性。

　　UML類圖主要用于輔助分析和設(shè)計(jì)階段，在設(shè)計(jì)類時(shí)應(yīng)聚焦在與當(dāng)前問(wèn)題有關(guān)的重要屬性和行為，無(wú)關(guān)的屬性和方法統(tǒng)統(tǒng)去掉，確保UML類圖是簡(jiǎn)潔有效的。除非私有屬性或方法會(huì)影響到問(wèn)題的理解或者類的實(shí)現(xiàn)，否則UML類圖中不要出現(xiàn)私有屬性和方法，私有屬性通常在實(shí)現(xiàn)階段才會(huì)去考慮。

　　UML類圖以及其他UML元素都是輔助軟件開(kāi)發(fā)的工具，使用UML進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只要相關(guān)人員能夠通過(guò)UML圖看懂你的設(shè)計(jì)、不妨礙溝通就可以了，即使用草稿紙來(lái)作圖也是可以的，所以，不用太過(guò)糾結(jié)那些細(xì)節(jié)，且一定要避免過(guò)度設(shè)計(jì)。

3C語(yǔ)言的類封裝實(shí)現(xiàn)

　　很多現(xiàn)代編程語(yǔ)言都有原生的面向?qū)ο笾С?，比如C++、JAVA、Python等，這些編程語(yǔ)言提供了class數(shù)據(jù)類型，在這些編程語(yǔ)言中類實(shí)際上就是一種數(shù)據(jù)類型，因此能夠更好地支持面向?qū)ο缶幊獭?/p>

　　實(shí)際上，面向?qū)ο笫桥c編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)的，更像是一種思想，且不局限于軟件開(kāi)發(fā)活動(dòng)，任何需要分析解決問(wèn)題的場(chǎng)合都可以使用面向?qū)ο蟆?/p>

　　C語(yǔ)言并沒(méi)有類的概念，但是可以從類的特性出發(fā)，利用C語(yǔ)言的某些特性來(lái)實(shí)現(xiàn)類的用法。關(guān)于類，首先要解決的就是封裝問(wèn)題，類的封裝特性需要能夠封裝屬性和方法，還要有訪問(wèn)控制?？梢允褂?h、.c文件和結(jié)構(gòu)體來(lái)完成封裝。

　　下面以圖1中Human類的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)為例來(lái)敘述C語(yǔ)言的類封裝問(wèn)題，本文使用human.h、human.c、struct human三個(gè)元素來(lái)完成封裝，human.c為human.h中函數(shù)聲明的實(shí)現(xiàn)，本文不討論這些細(xì)節(jié)，所以只給出human.h的關(guān)鍵代碼片段，如下所示：

　　typedef struct human {

　　const char *name;

　　int _money;

　　} human_t;

　　human_t *human_init(human_t *p_this, const char *name, intmoney);

　　voidhuman_talk(human_t*p_this, const char*p_words);

　　voidhuman_buy(human_t*p_this, const char *p_something, unsignedprice, unsignedcount);

　　voidhuman_deinit(human_t *p_this);

　　(1)類名

　　Human類的名稱體現(xiàn)在human.c、human.h以及human.h中所有全局符號(hào)的命名上，這些命名全部使用關(guān)鍵字human作為前綴。

　　(2)屬性

　　Human類的屬性體現(xiàn)在自定義類型human_t中，human_t實(shí)際上為結(jié)構(gòu)體struct human，它有兩個(gè)成員：name和_money，分別對(duì)應(yīng)類圖中的屬性+name和-money，特別留意_money成員前的“_”，這是為了警示類的使用者“此成員為私有屬性，不可使用”。

　　(3)方法

　　Human類的方法體現(xiàn)在human_talk()、human_buy()這兩個(gè)函數(shù)上，分別對(duì)應(yīng)類圖中的方法+buy()和+talk()。此外，還可以注意到有human_init()、human_deinit()這兩個(gè)函數(shù)，分別為Human類的構(gòu)造、析構(gòu)方法。構(gòu)造、析構(gòu)方法分別用于類對(duì)象的初始化和解初始化。

　　構(gòu)造函數(shù)human_init()需要用戶提供Human對(duì)象的內(nèi)存，通過(guò)第一個(gè)參數(shù)p_this傳遞，對(duì)象的內(nèi)存等價(jià)于一個(gè)human_t變量。

　　C語(yǔ)言中可以使用C文件中的static函數(shù)實(shí)現(xiàn)私有方法，假如Human類有私有方法money_pay()，則其C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)如下：

　　// human.c

　　static int __human_money_pay (human_t *p_this, unsignedcost)

　　{ … }

　　UML類圖中一般不會(huì)顯式地出現(xiàn)構(gòu)造、析構(gòu)和私有這三種方法，除非需要在類的構(gòu)造、析構(gòu)和實(shí)現(xiàn)上有特殊說(shuō)明。

　　另外需要注意的是，這幾個(gè)方法函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)都是human_t *類型，且名稱為p_this，這是C語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊膛c面向過(guò)程的最大不同：p_this為指向類實(shí)例(即對(duì)象)的指針，所有的方法操作都需要“針對(duì)”一個(gè)對(duì)象，p_this指針由類的構(gòu)造函數(shù)返回，比如，human_init()構(gòu)造一個(gè)Human實(shí)例，然后返回指向此實(shí)例的p_this指針，然后就可以調(diào)用human_talk(p_this, …)等方法對(duì)實(shí)例進(jìn)行操作。

　　(4)訪問(wèn)控制

　　在Human類的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)中，屬性被定義為human_t中的兩個(gè)成員，而 human_t被定義在用戶可見(jiàn)的human.h中，所以human_t是暴露給用戶的，因此，從語(yǔ)法上講，Human類的兩個(gè)屬性是暴露給用戶的，即都是公有屬性。雖然語(yǔ)法上不能支持私有，但可以在編程規(guī)范上設(shè)定“私有屬性以短下劃線“_”開(kāi)頭”，比如“_money”，如此從某種意義上實(shí)現(xiàn)了屬性的訪問(wèn)控制。

　　在Human類的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)中，方法被定義為human.c中的函數(shù)。公共方法對(duì)應(yīng)的函數(shù)都沒(méi)有“static”關(guān)鍵字，且在human.h中有對(duì)應(yīng)的函數(shù)聲明。而私有方法對(duì)應(yīng)的函數(shù)都有“static”關(guān)鍵字，這些私有方法只能在human.c文件內(nèi)部調(diào)用，對(duì)用戶不可見(jiàn)。由此可知，C語(yǔ)言本身就能支持方法的訪問(wèn)控制。

4結(jié)論

　　本文通過(guò)使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一個(gè)Human類，討論了如何使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)類的封裝特性。在C++等面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中，使用class對(duì)類做了原生的支持，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單。盡管C語(yǔ)言并不是原生支持類，但通過(guò)語(yǔ)言、概念、規(guī)范上的處理，也能實(shí)現(xiàn)類的封裝特性。用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)類的封裝相當(dāng)于解決了C面向?qū)ο蟮年P(guān)鍵第一步，在其基礎(chǔ)之上可以引入更多現(xiàn)代軟件方法。

　　參考文獻(xiàn)

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