Object-Oriented Programming in C (Part 2)

上次說到，用 C 來實作繼承及多形時，界面不統一，並且由於冗長的原故，反而變得難以閱讀及維護。這樣雖然可以用 OO 的概念來開發，但是如果代碼變成如此難以使用反而是違背了初衷呢。
上次最後的例子可以發現，程式在宣告記憶體時，第一個 attribute 和 class 的位置是相同的。應用這點，我們可以大幅簡化使用方式，並且讓代碼清晰可用。

1. 定一通用的 class 界面

定義一個通用的界面，可以幫助我們大幅度減少代碼的重寫。在這邊主要是定義了 constructor 以及 destructor

// object.h
#pragma once
typedef struct Object Object;
struct Object {
 int (*init)(void * self);
 void (*free)(void * self);
};
void * Object_new(size_t size, Object Base);

#define _(N) base.N
#define NEW(T) Object_new(sizeof(T), T##Init)
#define DEL(N) ((Object*)N)->free(N)

這裡用到一些有趣的巨集(Macro)，這裡一一解釋，

#progma once

這是為了避免重複編譯，也可以用

#ifndef OBJECT_H
#define OBJECT_H
...
#endif

第二種方法在各編譯器都是通用的，適合移植。但是在編寫大型程式時可能碰上 Macro 名相同的麻煩。第一種就沒這個問題，而且現在大多編譯器也支持這種格式。

#define _(N) base.N
#define NEW(T) Object_new(sizeof(T), T##Init)
#define DEL(N) ((Object*)N)->free(N)

最後的 macro 主要是為了方便使用而設，待會可以見到。由 NEW 可以看見，我們之後的記憶體宣告，其實都是使用 Object_new, 但是大小由 sizeof() 決定。_(N) 就像一個新的操作符，如此我們便不需要重複的寫 base.N，也讓界面更清晰、簡單。

2. 通用界面的實作

 // object.c
 
#include <stdlib.h>
 
#include "object.h"
 
static void Object_free_impl(void * self){
 Object * obj = self;
 free(obj);
}
 
 static int Object_init_impl(void * self){
 // do nothing
 return 1;
}
 
 void * Object_new (size_t size, Object base){
 if(!base.init) {base.init = Object_init_impl;}
 if(!base.free) {base.free = Object_free_impl;}
  
 Object * new_obj = calloc(1,size);
 * new_obj = base;
 if(!new_obj->init(new_obj)) {
  new_obj->free(new_obj);
  return NULL;
 }
 else{
  return new_obj;
 }
 }

3. 使用方式

同樣的，我們以多邊形、長方形、三角形為例。
首先是界面，

// polygon.h

#pragma once

#include "object.h"

// constructor
Object PolygonInit;
typedef struct Polygon Polygon;
struct Polygon {
 // base class
 Object base;
 // variables
 int width, height;
 // methods
 void (*set)(void * self,int w, int h);
 int (*area)(void * self);
};

Object RectInit;
typedef struct Rect Rect;
struct Rect{
 Polygon base;
};

Object TrigInit;
typedef struct Trig Trig;
struct Trig{
 Polygon base;
};

要注意的是，這裡的 constructor 是一個 Object structure，而其中初始化的定義我們可以使用 static function 來隱藏。

// polygon.c

#include <stdlib.h>

#include "object.h"
#include "polygon.h"

static void Polygon_set_impl(void * self,int w,int h){
 Polygon * polygon = self;
 polygon->width = w;
 polygon->height = h;
}
static int Polygon_area_impl(void * self){
 return 0;
}
static int Polygon_init(void * self){
 Polygon * polygon = self;
 polygon->width = 0;
 polygon->height = 0;
 polygon->set = Polygon_set_impl;
 polygon->area = Polygon_area_impl;
 return 1;
}
Object PolygonInit = {
 .init = Polygon_init
};

static int Rect_area_impl(void * self){
 Rect * rect = self;
 return rect->_(width) * rect->_(height);
}
static int Rect_init(void * self){
 Rect * rect = self;
 // initialize base class
 Polygon_init(rect);

 rect->_(area) = Rect_area_impl;
 return 1;
}

Object RectInit = {
 .init = Rect_init
};

static int Trig_area_impl(void * self){
 Trig * trig = self;
 return trig->_(width) * trig->_(height) / 2;
}

static int Trig_init(void * self){
 Trig * trig = self;
 // initialize base class
 Polygon_init(trig);

 trig->_(area) = Trig_area_impl;
 return 1;
}

Object TrigInit = {
 .init = Trig_init
};

Polygon_init() 與之前相同，我們初始化了各個變數以及方法，但是 Rect 及 Trig 只需要再次的呼叫 Polygon_init(), 並初始化自己的方法即可。
最後，

// main.c
#include <stdio.h>
#include "polygon.h"
int main(void){
 Rect * rect = NEW(Rect);
 Trig * trig = NEW(Trig);

 rect->_(set)(rect,4,5);
 trig->_(set)(trig,4,5);

 printf("Area of Rect: %d\n",rect->_(area)(rect));
 printf("Area of Trig: %d\n",trig->_(area)(trig));
 DEL(rect);
 DEL(trig); 
 return 0;
}

可以見到，使用上非常簡潔方便，而且非常清晰。如此在設計及開發都變得更容易了。
執行，

$ gcc -Wall -c object.c
$ gcc -Wall -c polygon.c
$ gcc -Wall polygon.o object.o main.c -o polygon.run
$ ./polygon.run
Area of Rect: 20
Area of Trig: 10

後記

這邊的介紹是想說明，OO 是一種編程的概念，而非一定需要什麼特定的語言才可以寫出來。但是呢，OO 的語言提供了更多的語法糖(syntax sugar)，而且在許多問題都有良好的解決辦法，代碼也更加規範。但有時我們很難知道這些語法糖到底做了什麼。我還是喜歡那句話，「C 是給知道自己幹什麼的人用的語言」，用 C 實作非常的有意思，也讓我更加理解何謂 OO 。
另外這邊的實作主要是參照了[4]，ex19 詳細說明了使用方式，並用這個簡單的編寫一個小遊戲，非常精彩。

reference:

1. 我所偏爱的 C 语言面向对象编程范式
2. C中的继承和多态
3. 你所不知道的 C 語言：物件導向程式設計篇
4. Learn C the hard way ex. 19 A Simple Object System

• 1. 定一通用的 class 界面
• 2. 通用界面的實作
• 3. 使用方式
• 後記
• reference:
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• 1. 定一通用的 class 界面
• 2. 通用界面的實作
• 3. 使用方式
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