C语言的结构体到类

Contact me

由于C++对C语言层面上的兼容性和相似性，可以比较明显的看出来，C++的类与C的结构体是大同小异的，除了C++的struct除了多了些东西，比如可以控制成员的可见范围，成员函数等似乎没太大区别。当然，对指针熟悉一些的话，可以把指针用来替代成员函数。这里我们将用python作为例子说说逻辑上，C的结构体基本可以实现python类的大体功能。

首先，类虽然是面向对象的概念，但是对于C而言，多做些封装即可实现大部分的要求。例如先说继承：

class Animal:
    def __init__(self):
        pass

class Cat(Animal):
    pass

可以很容易想到，结构体当然可以做到：

struct Animal {};
struct Cat {
    struct Animal;
};

当然面向对象的语言提供了一些语法糖，可以直接访问父类的字段，而这里C要多加一层来访问。但是一个潜在的好处是，你可以明确的区分你访问的变量是来自父类还是子类，而在python中，你则需要多加确认。多继承的方式也是很容易想到的，python要注意菱形继承的问题，而C虽然没有这个问题，但是代码复用却多了些限制。另一种多继承的方法是用一个列表来储存父类们，当然实现起来多少会有些复杂。同时你可能注意到，在python中，我们可以判断一个类是否属于某个父类，而在C中，你大概只能靠这个类有没有那个对应的结构体了（不嫌麻烦的话可以加一个字段来判断，当然这里可以把父类的结构体用指针来表示，用指针连接来判断，但是可能要注意空指针等情况）。

其次封装，类的一个基本功能就是封装。这里和struct没啥区别，但是注意到，一般像java，python，c++这些天生面向对象的语言一般都可以把函数封装到类里面。C怎么做呢？答案当然是函数指针了。

class Animal:
    def func(self):
        pass

int dosth(int param){}

struct Animal {
    int (*func)(int);
};

struct Animal an;
an.func = &dosth;

虽说有些麻烦（毕竟人家语法糖），但是功能上是一致。这里值得注意的是，像java，c++等语言可以提供变量的访问控制，比如private，public等，这里C就不太容易做到。但是有趣的是，python中并没有这种东西，它的内容全部是公开的，意味着你可以访问所有的内部变量，基本上和C的结构体没啥区别了，使用的时候就是君子协定了。

你也许有时候奇怪为什么python中的方法都要有个self参数，但是又不用传入（当然有类方法、静态方法这种不需要）。这就很像C了，在结构体中，你可以让函数（函数指针）有一个参数为该结构体，这时候就可以之间访问具体结构体里面的变量了（要注意声明和实现的区别）。

最后是多态，大概可以认为是让同一类（签名相同）行为可以根据该类的性质（具体子类）表现出不同结果（具体实现）。比如：

class Animal:
    def action(self)：
        print('animal')

class Cat(Animal):
    def action(self):
        print('cat')
    
class Dog(Animal):
    def action(self):
        print('dog')

这时候Cat和Dog都有相似的外形Animal，但是实际执行action的时候结果却不同。那么C怎么做呢？比较尴尬的是，C没法直接做。虽然我们是直接在结构体中加入父类结构体的，需要在调用的时候手工调用对应的函数。但是依旧没法保证Cat和Dog有相似的外形，即他们无法表现为同一个类。这是面向对象语言低层的语法糖，C无法直接做到。

由以上的分析可以想到，在C中借用一些面向对象的思想实现粗糙的类是可行的，毕竟思想是共通的。这里提一下C++，你可能知道在查看类占用空间的时候，函数并不占用空间，它是编译器来处理的。虚函数是占一个指针大小，注意是所有虚函数。所以可以推断出来，它维护了一个虚函数指针的列表，这个列表中每个元素就是一个函数，有点像我们在继承里面提到的多继承用列表来实现的方式。