C语言中的面向对象？从头开始实现接口。

我一直对计算机充满好奇，总是会想：“好吧，我知道怎么用，但它到底是怎么工作的？”在这个过程中，我经常会做个思想实验：如果让我从零开始实现它，我会怎么做？在本文中，我们将探讨接口在面向对象编程中的工作原理（使用Java），然后在C语言中实现一个简陋的接口版本。

让我们来看一个例子

我们的例子很简单：计算车辆的价格。如果是汽车，价格将根据其最高速度计算；如果是摩托车，价格将根据其排量计算。我们首先用接口定义车辆的行为：

public class Main {
    public interface Vehicle {
        Integer price();
    }
}

这里没什么特别的，只是一个返回整数的方法。现在让我们实现汽车类：

public class Main {
    // ...

    public static class Car implements Vehicle {
        private final Integer speed;

        public Car(Integer speed) {
            this.speed = speed;
        }

        @Override
        public Integer price() {
            return speed * 60;
        }
    }
}

很经典：一个构造函数和price方法的实现，将速度乘以60。现在，让我们实现摩托车类：

public class Main {
    // ...

    public static class Motorcycle implements Vehicle {
        private final Integer cc;

        public Motorcycle(Integer cc) {
            this.cc = cc;
        }

        @Override
        public Integer price() {
            return cc * 10;
        }
    }
}

几乎一样，唯一的区别是现在我们将排量乘以10。然后，我们实现一个打印车辆价格的方法：

public class Main {
    // ...

    public static void printVehiclePrice(Vehicle vehicle) {
        System.out.println("$" + vehicle.price() + ".00");
    }
}

没什么秘密。最后，我们的main方法：

public class Main {
    // ...

    public static void main(String[] args) {
        Car car = new Car(120);
        Motorcycle motorcycle = new Motorcycle(1000);

        printVehiclePrice(car);
        printVehiclePrice(motorcycle);
    }
}

<code>$ java Main.java
00.00
000.00</code>

这就是我们想要达到的模型，但是现在要在C语言中从零开始实现。

我们该如何解决这个问题？

当我想到对象时，首先想到的是一组表示状态的数据和操作和管理该状态的方法。在C语言中表示数据集合最直接的方法是结构体。对于方法，最接近的方法是接收状态作为参数的函数。此状态将对应于类中的this，例如：

typedef struct {
    int height_in_cm;
    int weight_in_kg;
} Person;

float person_bmi(Person *person) {
    float height_in_meters = (float)person->height_in_cm / 100;
    float bmi =
        (float)person->weight_in_kg / (height_in_meters * height_in_meters);

    return bmi;
}

在这里，我们在Person结构体中定义了一个人的数据，并使用这些数据进行简单的计算。这是我们在C语言中可以拥有的最接近类的结构。也许在结构体中使用函数指针也是一个好主意？好吧，这留到下一篇文章再讨论。

好的，我们有了一种类似类的结构。现在，我们如何在C语言中定义接口？如果仔细想想，编译器/解释器不会做魔法来猜测哪些类实现了接口。它可以在编译时确定这一点，并将我们使用接口的所有部分替换为具体的类型。在编译后的程序中，接口甚至不存在。

由于C语言编译器没有提供这种可能性，我们必须自己实现这个方案。我们需要知道所有实现我们接口的类型，并想办法使用这些实现的函数。

在C语言中实现接口

首先，让我们定义我们简陋接口的框架。我们将创建一个枚举，其中包含不同的实现和我们函数的签名。

public class Main {
    public interface Vehicle {
        Integer price();
    }
}

在这里，我们定义了我们的枚举，其中包含我们稍后将要实现的实现。这看起来可能不像，但这部分非常重要。接下来，我们声明了vehicle_free函数（稍后将解释）和vehicle_price函数，我们希望在我们的“类”中实现这些函数。现在让我们来看汽车的实现：

public class Main {
    // ...

    public static class Car implements Vehicle {
        private final Integer speed;

        public Car(Integer speed) {
            this.speed = speed;
        }

        @Override
        public Integer price() {
            return speed * 60;
        }
    }
}

car_init函数在内存中初始化一个新的“对象”Car。在Java中，这将通过new自动完成。在这里，我们需要手动完成。vehicle_free函数将用于释放之前初始化的任何“对象”分配的内存，使用car_free等实现。摩托车的实现非常相似：

public class Main {
    // ...

    public static class Motorcycle implements Vehicle {
        private final Integer cc;

        public Motorcycle(Integer cc) {
            this.cc = cc;
        }

        @Override
        public Integer price() {
            return cc * 10;
        }
    }
}

几乎一样，只是现在我们用VEHICLE_MOTORCYCLE初始化，并乘以10。现在让我们来看打印车辆价格的函数：

public class Main {
    // ...

    public static void printVehiclePrice(Vehicle vehicle) {
        System.out.println("$" + vehicle.price() + ".00");
    }
}

如此简单……这样看来，我们似乎没有做太多工作。现在，最后也是最重要的一点，我们必须实现我们在上面接口定义中声明的函数，还记得吗？幸运的是，我们甚至不需要考虑这个实现。我们总会有一个简单的穷举switch/case，仅此而已。

public class Main {
    // ...

    public static void main(String[] args) {
        Car car = new Car(120);
        Motorcycle motorcycle = new Motorcycle(1000);

        printVehiclePrice(car);
        printVehiclePrice(motorcycle);
    }
}

现在我们可以使用我们所做的一切：

<code>$ java Main.java
00.00
000.00</code>

typedef struct {
    int height_in_cm;
    int weight_in_kg;
} Person;

float person_bmi(Person *person) {
    float height_in_meters = (float)person->height_in_cm / 100;
    float bmi =
        (float)person->weight_in_kg / (height_in_meters * height_in_meters);

    return bmi;
}

成功了！但是你可能会想：“好吧，这有什么用？”

一个真实的用例

我最喜欢的项目类型之一是解析器，从解释器到简单的数学表达式解析器。通常，当您实现这些解析器时，会遇到称为AST（抽象语法树）的东西。顾名思义，它是一棵树，它将表示您正在处理的语法，例如，变量声明int foo = 10; 是AST的一个节点，它包含另外三个节点，一个类型节点，用于int，一个标识符节点，用于foo，以及一个表达式节点，用于10，该节点包含另一个值为10的整数节点。看到它有多复杂了吗？

当我们在C语言中这样做时，我们必须在包含多个字段的巨大结构体之间进行选择，以表示任何可能的AST节点，或者使用多个小型结构体实现抽象定义，每个结构体表示不同的节点，就像我们在这里用我们的“接口”所做的那样。如果您想查看一个简单的示例，在这个数学表达式解析器中，我实现了第二种方法。

结论

编译器或解释器所做的任何事情都不是魔法。尝试自己实现一些东西总是一个有趣的练习。希望这是一篇有益的阅读。谢谢！

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