為C語言添加OO能力的嘗試從上世紀70年代到現在一直沒有停止過，除了大獲成的C++/Objective-C以外，還有很多其它的成功案例，比如GTK在libg中實現了一個對象系統，還有前幾年一個OOC，以及很多用宏實現的所謂輕量級OO系統。上周在網上發現了又一個自稱為OOC系統，我決定總結一下這方面的內容。 大部分面向對象系統可以分成兩類，一類是基於原型的設計，類似javascript；另一類是基於類模板的設計，比如C++/Java。當然，這不是絕對化，近幾年，在很多動態語言實現中，有很多混搭的實現，例如Dart。因為有C++的例子，基於類模板的對象系統可能對C語言程序員更自然一些，我們以此為例。這個系統要改成一個基於原型的系統也非常簡單。 對象系統中最核心的概念當然是對象。對象在C語言中沒有直接的對應成份（沒有內置於語言），我們可以選擇這麼幾種來表示對象，一是無類型的指針，二是結構體指針，三是表示為int的ID。從本質上來看，這些並沒有區別，無非是語法上簡潔和復雜。我們選擇一個結構指針類型struct object*來表示對象. 對象之間的消息傳遞，對於C/C++等命令式語言（相對於函數式語言）來說，都對應於一個函數調用。像C++語言一樣，我們可以定義一個虛表；也可以像Objective-C一樣定義一個消息轉發鏈。從實際效果上來說，都有以下過程： struct object* a; member_function* pf = find_function(a, the-function-id); pf(a, other-param); 以上偽代碼合並成一行調用，我們定義一個向對象a發送為function_id的消息，使用如下語法： interface(a)->function_id(a, other-param); 這裡引入了一個概念interface（接口），接口是一組消息的集合，對象可以接受的消息由它實現的接口定義，發送消息即變成取得相應接口，並調用接口上的函數。這個設計綜合了虛表和消息轉發鏈的設計，比較接近於COM中的接口概念。接口以類似虛表的形式定義： struct XXX_interface { struct object* kclass; int (*XXX_function)(struct object* this_object, other-param); … }; 接口實際上暗示了我們的實現是對象->接口表->接口->類（運行時信息）。借用下圖，左側藍色為對象，這兩個對象是屬於同一個類，它有一個成員_vtab指向右側黃色的一個虛表或者說是接口表，接口表有一個成員_class指向相應的類數據。接口表和類數據注冊到類型系統中，而對象由用戶分配內存。 image 有了接口概念我們可以實現接口繼承，但實現繼承需要另一個機制，我們不打算像C++選擇多重繼承，而是直接選擇更為直接的Mixup（混入）方式。我們可以通過在類型構造時直接調用mixup，傳入類型對象和mixup結構。 這裡我們會遇到為C語言添加OO支持最大的困難，我們沒有辦法在編譯期添加特性，比如構造類/生成指針表/混入實現，我們只能選擇在運行時添加一個class_init，類型初始化函數。這個問題帶來了兩個不足之處，一是有很多記簿的工作需要程序員完成；二是無法實現靜態對象。每個類型需要這樣一個初始化過程： struct klass XXXClass = { }; void XXX_init() { declare(&XXXClasss, &baseClass); XXXClasss.init = XXX_init; … struct XXX_interface i* = implement(&XXXClasss, &XXX_interface) i->function_id = some_implement_function; … mixup(&XXXClass, &XXX_mixup); … register(&XXXClass); } 這裡用到一個struct klass結構，它的作用是記錄對象的相關信息，主要內容如下： struct klass { int id; char* name; size_t object_size; struct klass* parent; size_t itable_size; struct itable* itables; void (* init) ( Class this ); /* class initializer */ void (* ctor) (Object self, const void * params ); /* constructor */ void (* dtor) (Object self, Vtable vtab); /* destructor */ int (* copy) (Object self, const Object from); /* copy constructor */ }; 當Declare這個對象時，系統開始記錄它的id/name並計算object_size。後面一系列代碼用於初始化基本的函數指針和接口表指針。最後Register這個類到系統中，用於動態類型查找。每個類這些記簿式的代碼非常類似。 前面用到的interface(a)這個函數就是通過遍歷itables來找到對應的接口虛表，接口表有反向指針指回類說明，因此可以通過一個接口來查詢其它接口。 在main函數的開始部分，需要對整個對象系統手動初始化，這可以說是一段非常不人道的代碼： int main() { object_system_init(); XXX_init(); XXX2_init(); … } 雖然我們可以聲明一個數組來完成對各個init函數的自動調用，但這個聲明過程依然非常不人道。要得到對程序員比較友好的過程，我們需要通過一個額外的源代碼分析過程，自動生成上面class_init函數，以及system_init過程。 分配一個對象，事實上只需要三步，一是找到對應的類型，二是分配空間，三是設置虛表指針。第一步，可以直接使用全局的靜態struct kclass對象，也可通過查找函數find_class("class name")來完成。第二步這步分配空間，可以由用戶完成，只需要下一步調用object_new_at(user_space, class)。如果使用系統分配空間即可由object_new一次完成二、三兩步。 //用戶分配 struct klass XXXClasss; void* ptr = malloc(XXXClass.object_size); object_new_at(ptr, &XXXClass); //系統分配 struct object* ptr = object_new(&XXXClass); 在對象初始化過程中，object_new會調用構造函數，也就是kclass中的init函數，相應的destructor/copy等函數也會在對應的object_destroy/object_copy過程中調用。 以上基本構造了一個簡單的對象系統核心，我們如果再補充一些錯誤處理、內存管理以及多線程處理，一個小型而完整的對象系統就構造出來了，但它最大問題還是語法復雜度比較高。雖然我們可以使用宏來優化語法，但效果不如人意，同時還帶來了理解上的困難。 在一些簡單的應用中，並不需要這樣一個復雜而完整的對象系統，我們更簡單的抽象甚至更好一點。一個對象可以表示如下，vtable可以指向一個函數如f(void* data); struct object { void* vtable; void* data; }; 構造和析構函數都專用函數XXX_new和XXX_destroy即可。
