C语言如何实现继承及容器

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wenzid

修改于 2020-04-26 14:24:23

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继承的概念

继承是面向对象软件技术当中的一个概念，与多态、封装共为面向对象的三个基本特征。继承可以使得子类具有父类的属性和方法或者重新定义，追加属性和方法。

面向对象中的重要概念就是类，在我们熟知的编程语言 C++ 、Python 中都存在类的概念，通过现有的类从而继承得到新的类。但是对于 C 语言来讲，其中并不存在类的概念，那又如何实现继承呢 ?

C 语言继承的实现

笔者了解到 C 语言实现继承是在阅读 rt-thread 源码中发现的，rt-thread 以小而美的物联网操作系统著称，在阅读其源码的时候，也能够感受到其实现的精妙，其中对于内核对象的管理就是以面向对象的方式进行，采用结构体嵌套的方式实现了内核对象的继承与派生。在 rt-thread 的内核对象管理模块中，定义了通用的数据结构 rt_object ，笔者在这里姑且将其称之为父类，因为内核的线程对象，内存池对象，定时器对象，设备对象都是由 rt_object 派生而来。下面是 rt_object 的实现细节。

struct rt_object
{
    char       name[RT_NAME_MAX];                       /**< name of kernel object */
    rt_uint8_t type;                                    /**< type of kernel object */
    rt_uint8_t flag;                                    /**< flag of kernel object */
    rt_list_t  list;                                    /**< list node of kernel object */
};

有了这个通用数据结构，我们就可以依据此继承派生出新的内核对象，比如定时器对象，其实现细节如下所示：

struct rt_timer
{
    struct rt_object parent;                            /**< inherit from rt_object */

    rt_list_t        row[RT_TIMER_SKIP_LIST_LEVEL];

    void (*timeout_func)(void *parameter);              /**< timeout function */
    void            *parameter;                         /**< timeout function's parameter */

    rt_tick_t        init_tick;                         /**< timer timeout tick */
    rt_tick_t        timeout_tick;                      /**< timeout tick */
};

如上图代码所示，rt_timer 结构体内定义的 parent 就是由 rt_object 所继承下来的，在继承的基础上，又在结构体内增加了新的内容，从而形成了定时器对象。

因此对于 rt_thread 中的线程对象，内存池对象，定时器对象也可以用如下的一张图表明他们之间的关系。

容器的概念

在 C++ 中对于容器的定义是这样的：在数据存储上，有一种对象类型，它可以持有其他对象或者指向其他对象的指针，这种对象类型就是容器，对于 C++ 来说，有专门的构造函数实现容器，比如 vector() ，就可以创建一个容器。

那 C 语言是如何创建一个容器呢？在 rt_thread 中,是通过一个全局数组的形式实现的，数组的类型是 rt_object_information ,rt_object_information 的实现代码如下：

struct rt_object_information
{
    enum rt_object_class_type type;                     /**< object class type */
    rt_list_t                 object_list;              /**< object list */
    rt_size_t                 object_size;              /**< object size */
};

其中，type 是用一个枚举类型实现的，具体实现如下：

enum rt_object_info_type
{
    RT_Object_Info_Thread = 0,                         /**< The object is a thread. */
#ifdef RT_USING_SEMAPHORE
    RT_Object_Info_Semaphore,                          /**< The object is a semaphore. */
#endif
#ifdef RT_USING_MUTEX
    RT_Object_Info_Mutex,                              /**< The object is a mutex. */
#endif
    RT_Object_Info_Unknown,                            /**< The object is unknown. */
};

对象的链表是基于这样实现的：

struct rt_list_node
{
    struct rt_list_node *next;                          /**< point to next node. */
    struct rt_list_node *prev;                          /**< point to prev node. */
};

由于 rt_thread 中容器中的对象有点多，笔者将其中对象进行缩减，截取一部分出来，具体如下：

static struct rt_object_information rt_object_container[RT_Object_Info_Unknown] =
{
    /* initialize object container - thread */
    {
        RT_Object_Class_Thread, 
        _OBJ_CONTAINER_LIST_INIT(RT_Object_Info_Thread), 
        sizeof(struct rt_thread)
    },
#ifdef RT_USING_SEMAPHORE
    /* initialize object container - semaphore */
    {
        RT_Object_Class_Semaphore, 
        _OBJ_CONTAINER_LIST_INIT(RT_Object_Info_Semaphore), 
        sizeof(struct rt_semaphore)
    },
#endif
#ifdef RT_USING_MUTEX
    /* initialize object container - mutex */
    {
        RT_Object_Class_Mutex, 
        _OBJ_CONTAINER_LIST_INIT(RT_Object_Info_Mutex), 
        sizeof(struct rt_mutex)
    },
#endif
}

上面就实现了一个容器，其中_OBJ_CONTAINER_LIST_INIT 是一个宏定义，具体定义如下：

#define _OBJ_CONTAINER_LIST_INIT(c)     \
    {&(rt_object_container[c].object_list), &(rt_object_container[c].object_list)}

其所用是初始化对象的链表，将头尾指针都指向自身，实现的效果如下：

rt_object_get_information(enum rt_object_class_type type)
{
    int index;

    for (index = 0; index < RT_Object_Info_Unknown; index ++)
        if (rt_object_container[index].type == type) 
        	return &rt_object_container[index];

    return RT_NULL;
}