在 C 语言中，虽然没有内建的面向对象编程（OOP）特性（如封装、继承、多态），但通过一些编程技巧，我们仍然可以模拟实现这些概念。下面将用通俗易懂的方式，逐步介绍如何在 C 中实现封装、继承和多态。
1. 封装（Encapsulation）
封装是指将数据和操作数据的函数绑定在一起，隐藏内部实现细节，只暴露必要的接口。在 C 中，我们可以通过 struct 和相关的函数来实现封装。
假设我们要创建一个“矩形”对象，包含宽度和高度，并提供计算面积的功能。
步骤：
- 定义结构体（隐藏内部细节）
- 提供创建和操作该结构体的函数
实现：
// Rectangle.h
#ifndef RECTANGLE_H
#define RECTANGLE_Htypedef struct Rectangle Rectangle;// 创建矩形
Rectangle* Rectangle_create(double width, double height);// 销毁矩形
void Rectangle_destroy(Rectangle* rect);// 计算面积
double Rectangle_getArea(const Rectangle* rect);#endif // RECTANGLE_H// Rectangle.c
#include <stdlib.h>
#include "Rectangle.h"// 定义结构体（隐藏在 .c 文件中）
struct Rectangle {double width;double height;
};// 创建矩形
Rectangle* Rectangle_create(double width, double height) {Rectangle* rect = (Rectangle*)malloc(sizeof(Rectangle));if (rect != NULL) {rect->width = width;rect->height = height;}return rect;
}// 销毁矩形
void Rectangle_destroy(Rectangle* rect) {free(rect);
}// 计算面积
double Rectangle_getArea(const Rectangle* rect) {if (rect == NULL) return 0.0;return rect->width * rect->height;
}// main.c
#include <stdio.h>
#include "Rectangle.h"int main() {Rectangle* rect = Rectangle_create(5.0, 3.0);if (rect != NULL) {printf("面积: %.2f\n", Rectangle_getArea(rect));Rectangle_destroy(rect);}return 0;
}
说明：
- 隐藏实现：
Rectangle的具体结构体定义在Rectangle.c中，外部无法直接访问其成员变量。 - 接口函数：通过
Rectangle_create、Rectangle_destroy和Rectangle_getArea提供对Rectangle对象的操作。
2. 继承（Inheritance）
继承允许一个“子类”拥有“父类”的属性和行为。在 C 中，我们可以通过在子结构体中包含父结构体来模拟继承。
基类“形状”和子类“矩形”和“圆形”
步骤：
- 定义基类结构体，包含一个指向函数的指针（模拟虚函数表）。
- 定义子类结构体，在其中包含基类结构体。
- 实现子类的功能。
实现：
// Shape.h
#ifndef SHAPE_H
#define SHAPE_Htypedef struct Shape Shape;// 虚函数表
typedef struct {double (*getArea)(const Shape* self);void (*destroy)(Shape* self);
} ShapeVTable;// 基类结构体
struct Shape {ShapeVTable* vtable;
};// 基类接口函数
double Shape_getArea(const Shape* self);
void Shape_destroy(Shape* self);#endif // SHAPE_H// Shape.c
#include "Shape.h"double Shape_getArea(const Shape* self) {if (self && self->vtable && self->vtable->getArea) {return self->vtable->getArea(self);}return 0.0;
}void Shape_destroy(Shape* self) {if (self && self->vtable && self->vtable->destroy) {self->vtable->destroy(self);}
}// Rectangle.h
#ifndef RECTANGLE_H
#define RECTANGLE_H#include "Shape.h"typedef struct {Shape base; // 继承自 Shapedouble width;double height;
} Rectangle;// 创建矩形
Shape* Rectangle_create(double width, double height);#endif // RECTANGLE_H// Rectangle.c
#include <stdlib.h>
#include "Rectangle.h"// 矩形的虚函数实现
double Rectangle_getArea(const Shape* self) {const Rectangle* rect = (const Rectangle*)self;return rect->width * rect->height;
}void Rectangle_destroy_impl(Shape* self) {free(self);
}// 定义矩形的虚函数表
ShapeVTable rectangle_vtable = {.getArea = Rectangle_getArea,.destroy = Rectangle_destroy_impl
};// 创建矩形
Shape* Rectangle_create(double width, double height) {Rectangle* rect = (Rectangle*)malloc(sizeof(Rectangle));if (rect != NULL) {rect->base.vtable = &rectangle_vtable;rect->width = width;rect->height = height;}return (Shape*)rect;
}// Circle.h
#ifndef CIRCLE_H
#define CIRCLE_H#include "Shape.h"typedef struct {Shape base; // 继承自 Shapedouble radius;
} Circle;// 创建圆形
Shape* Circle_create(double radius);#endif // CIRCLE_H// Circle.c
#include <stdlib.h>
#include "Circle.h"
#include <math.h>// 圆形的虚函数实现
double Circle_getArea(const Shape* self) {const Circle* circle = (const Circle*)self;return M_PI * circle->radius * circle->radius;
}void Circle_destroy_impl(Shape* self) {free(self);
}// 定义圆形的虚函数表
ShapeVTable circle_vtable = {.getArea = Circle_getArea,.destroy = Circle_destroy_impl
};// 创建圆形
Shape* Circle_create(double radius) {Circle* circle = (Circle*)malloc(sizeof(Circle));if (circle != NULL) {circle->base.vtable = &circle_vtable;circle->radius = radius;}return (Shape*)circle;
}// main.c
#include <stdio.h>
#include "Shape.h"
#include "Rectangle.h"
#include "Circle.h"int main() {Shape* shapes[2];shapes[0] = Rectangle_create(5.0, 3.0); // 创建矩形shapes[1] = Circle_create(2.0); // 创建圆形for (int i = 0; i < 2; ++i) {printf("图形 %d 的面积: %.2f\n", i + 1, Shape_getArea(shapes[i]));Shape_destroy(shapes[i]);}return 0;
}
说明：
- 基类
Shape：包含一个虚函数表vtable，用于指向具体实现的函数。 - 子类
Rectangle和Circle- 包含
Shape作为第一个成员，实现“继承”。 - 定义自己的虚函数（如
getArea和destroy_impl）。 - 分别创建自己的虚函数表，并在创建时将
vtable指向自己的表。
- 包含
- 多态：在
main中，通过基类指针Shape*调用getArea，根据实际对象类型（矩形或圆形）执行不同的函数。
3. 多态（Polymorphism）
多态允许不同类型的对象通过相同的接口调用不同的实现。在上面的继承示例中，我们已经部分实现了多态。下面进一步解释多态的实现。
在 Shape 基类中定义了虚函数表 ShapeVTable，包含 getArea 和 destroy 函数指针。每个子类（如 Rectangle 和 Circle）都提供了自己的实现，并在创建时将 vtable 指向自己的函数表。
如何工作：
- 统一接口：所有形状都通过
Shape*指针进行操作。 - 具体实现：不同的形状（矩形、圆形）有各自的
getArea实现。 - 调用时自动选择：根据对象的实际类型，调用相应的
getArea函数。
示例解释：
for (int i = 0; i < 2; ++i) {printf("图形 %d 的面积: %.2f\n", i + 1, Shape_getArea(shapes[i]));Shape_destroy(shapes[i]);
}
Shape_getArea(shapes[i])会根据shapes[i]的vtable指向不同的getArea实现，自动计算出矩形或圆形的面积。
