转自微信公众号《阿布编程》
“我们能用C语言实现C++的：继承、成员函数、虚函数吗？不仅可以，而且还一摸一样！”
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提出问题
说到C和C++的差别，大家很容易联想到面向对象和面向过程的差异。毕竟类，也就是class，几乎是所有面向对象设计的标准配置。
当然，也有同学表示不服，C语言里面也有struct呀，很多class能作的事情，用struct也可以完成。如果真是这样的话，为什么很少看见有人用C语言，作面向对象的程序设计呢？
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基本分析
这里，就让我们一起用CPU的视角，从它们的实现逻辑上，回答这些问题吧。打开Compiler Explorer写一段代码，需要注意的是为了抵消字节对齐，所产生的冗余空间，针对当前的64位编译环境，我们会统一把各种数据结构，定义成8字节的long类型；为了抵消编译器对访问权限的控制，我们会把class的成员变量和成员函数统一设置成：public。
这里，我们先在C++编译环境中定义一个简单的类A，里面有两个成员变量x和y；然后在C编译环境中定义一个struct B，里面也有两个成员变量x和y；最后分别写一个main函数，分别作一下两个成员变量的写操作：
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老规矩，不用理会每条CPU指令的具体涵义，我们只对比二者的差异，如你所见，除了变量a、b的内存地址不同外，二者对应的CPU指令完全一致。
而且对象a和结构体b所占的内存空间都是16个字节，正好是两个long类型的数据长度，这看上去非常合理。所以，我们可以确定对象a和变量b，在内存上的空间分布是完全一致的：
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继承分析
但这还远远不够，因为继承才是class最显著的特征。让我们定义一个类A的派生类AA；同时，也照猫画虎的定义一个派生的结构体BB；最后，对新的成员变量z，作一下写操作：
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不出意外，二者对应的CPU指令，仍然是一致的。对象aa和结构体bb所占据的内存空间都同样为新增的变量z，增加了8个字节的存储空间，达到了24个字节：
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因为它们在内存空间上的分布完全一致，所以，此时class专属的继承特性，在struct身上，也能窥探一二，甚至还更加直接、清晰。
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成员函数分析
但class的高级之处，不仅在于可以继承和封装数据，还可以封装方法，也就是成员函数。而由于C语言的语法规则限制，我们一般不能在struct内部定义成员函数，也正是这个原因，我们也常说struct是“面向数据”的。好了，让我们为类A增加一个成员函数func：
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你发现了吗？我们虽然增加了一个成员函数func，但对象a所占据的内存空间并没有变化，还是2个成员变量a、b的容量大小，还是只占据16个字节。其实，无论在class内部定义多少个成员函数，都不会影响对象a的大小和内存分布。如果这样的话，成员函数跟定义在class外部的普通函数，就没有本质区别。
是的，让我们也为struct B也写一个“成员函数”func吧：
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如果对比一上面2张图中的CPU指令，你会发现：struct B的“成员函数”func跟class A的成员函数func，对应的CPU指令完全相同！而且其函数的调用部分main函数对应的CPU指令，也是完全相同的。
相信如果看过“CPU眼里的：this指针”的话，对这个结果一定不意外。所以，用struct也可以实现class的成员函数和this指针，且效果相同。
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虚函数分析
好吧，哪又怎么样呢？难道你还能用struct实现虚函数吗？让我们先在类A的成员函数前加上关键字virtual，让它变成一个虚函数。而struct B的“成员函数”则不需要作任何调整，如“CPU眼里的：虚函数”所说，虚函数体的实现，跟普通成员函数体，没有本质区别。
所以，问题的关键在于，我们如何为struct实现“动态绑定”的调用方式，为了简化代码，我们先typedef一个函数指针类型，一个大写的FUNC，
看过“CPU眼里的：虚函数”的同学，还记得虚函数的实现机制吗？编译器会偷偷的为class添加一个隐形的指针变量v，用来记录虚函数表的首地址。
同样的方法，我们也为struct B定义虚函数表，由于struct B没有可以自动调用的构造函数，所以，我们手动的为隐形变量v，作一下虚函数表的初始化。
随后，我们就可以写一个函数test1，用来作struct B的虚函数调用，为了和class的虚函数作对比，我们也写一个函数test2，用来作class A的虚函数调用：
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如你所见，虚函数的调用部分，也就是函数test1和函数test2对应的CPU指令，是完全相同！注意哟，它们可都是货真价实的动态绑定。
最后，由于数组和指针常常可以混用的原因，我们还可以把调用struct B的“虚函数”代码，改写成数组的形式，这样，当有多个“虚函数”的时候，我们仅仅调整一下数组的索引，就可以实现不同“虚函数”的调用了：
typedef long (FUNC)(struct B b);
struct B{
FUNC* v;
long x;
long y;
};
long func1(struct B* b){ return b->x; }
long func2(struct B* b){ return b->y; }
long func3(struct B* b){ return b->x + b->y; }
FUNC vfuncTable[] = {
func1,
func2,
func3
};
struct B b = { .v = vfuncTable };
void test(struct B* p)
{
p->v0;//call func1
p->v1;//call func2
p->v2;//call func3
}
如你所见，仅仅通过简单的数组偏移，就可以迅速切换到不同的“虚函数”，并没有出现所谓的搜索、查询虚函数表的行为。这个时候，你还会担心调用虚函数，会大大增加系统开销吗？
至此，面向对象的几大特性：封装、继承、虚函数，我们都能用C语言中的struct，重新实现一遍。如果配合类型转换，我们甚至还可以实现多态，或许有效的重复利用所学的C语言知识，也能帮助我们快速理解C++的运作原理，您觉得呢？
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总结
排除编译器对访问权限的限制，struct和class在数据结构上，特别是在内存布局上面，有很多相似之处。也正是这个原因，我们用C语言，依然可以实现诸如：继承、虚函数等面向对象的效果。
所以，我们也经常可以在Linux内核的文件系统、驱动框架中，看到很多类似的代码。当然，虽然面向对象的效果是达到了，但显然没有用C++的class那么简洁、优雅，再加上满天飞的函数指针，可读性也会差很多。
当然，这里我们只讨论C语言中的struct跟class之间的差异，因为C++中的struct，已经被强化的很厉害了，甚至可以定义构造函数和析构函数，已经非常接近class了。
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热点问题
Q1：凭什么说不能在struct的内部定义成员函数？用函数指针就可以实现这样的效果呀，例如下面的代码：
typedef void (*PFUNC)(int a);
struct B{
PFUNC* memFunc;
long x;
long y;
};
A1：不错，虽然我们可以在struct内部定义一个函数指针，间接的实现内部成员函数，这从形式上看，确实跟class的成员函数有些相似之处。但要知道这里的函数指针变量memFunc是需要占用内存的:图片现在的结构体b不仅有两个8字节的long类型变量x和y，还有一个函数指针memFunc，所以它所占据的内存空间，从以前的16字节，扩大到了24字节。而且随着成员函数的增加，也将占用更多的存储空间。同时，初始化这些函数指针也是一个繁琐、必须的工作，这跟class实现成员函数的策略，是完全不同的。
Q2：如何用C语言的struct实现class中的private和protected访问属性呢？
A2：一般来说，C语言编译器是不支持这种private和protected访问属性的。对于如private和protected的访问属性的判定，是C++编译器在语法分析阶段中得出的，对于不合规的访问属性，在这个阶段就被禁止或报错；就像一行代码的末尾没有加分号一样，会被编译器无情的报错，不会继续生成CPU指令。
而一旦通过编译，由private和protected修饰的成员变量或成员函数，跟public修饰的成员变量或成员函数并无本质区别，CPU对它们都一视同仁的。
Q3：所以，面向对象只是一种编程思想，并不是一定要用C++的class来实现，实际上用C语言，也可以实现面向对象的编程思想，对吗？
A3：是的！这是非常经典的阐述。但如果没有本文的铺垫，这可能是一种很难理解的正确结论。但一旦了解底层实现，这种感觉可能就会脱口而出，少很多理解上的烦恼。由于编程语言和编程思想往往是你中由我，我中有你，所以，有时候通过对细节的追踪、挖掘，也能帮助我们准确理解一些抽象、奇怪的知识，更好的区分出语言和思想的边界。
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