楊韜
（廣州致遠電子股份有限公司，廣東 廣州 510660）
摘要：多年以來，C語言在嵌入式軟件開發中被廣泛使用，但由于開發人員和應用場景等原因，面向對象、設計模式等優秀的軟件開發方法始終沒有很好地運用起來。時至今日，物聯網等應用的興起，給嵌入式軟件開發帶來新的挑戰，而傳統的面向過程開發已經難以支撐這些復雜的應用。因此，有必要在嵌入式軟件開發中引入面向對象、設計模式等優秀的軟件開發方法。面向對象是現代軟件方法的根基，面向對象體現在類上，而封裝為類的第一大特性。文章以類的封裝特性為切入點，結合C語言的特性，討論了C語言實現類封裝的方法，并給出了實例。
關鍵詞：C語言；面向對象；類；封裝
0引言
物聯網等應用的興起，給嵌入式軟件開發帶來新的挑戰，而傳統的面向過程開發已經難以支撐這些復雜的應用。因此，有必要在嵌入式軟件開發中引入面向對象、設計模式等優秀的軟件開發方法。本文首先介紹了面向對象必要的基本概念，然后引入了UML類圖，通過使用C語言來實現一個Human類，討論了如何使用C語言來實現類的封裝特性，并給出了對應的分析。
1基本概念
1.1對象［1］
對象是人們要進行研究的任何事物，從最簡單的整數到復雜的飛機等均可看作對象，它不僅能表示具體的事物，還能表示抽象的規則、計劃或事件。
對象具有狀態，一般用數據值來描述它的狀態。
對象還有操作，用于改變對象的狀態，對象及其操作就是對象的行為。
對象實現了數據和操作的結合，使數據和操作封裝于對象的統一體中。
1.2面向對象
簡而言之，面向對象就是把客觀存在或主觀抽象的事物(即對象)抽象成類。
所謂抽象就是去異求同，從眾多的事物(即對象)中抽取出共同的、本質性的特征，舍棄其非本質的特征。比如香蕉、蘋果、哈密瓜等，它們共同的特性就是水果。得出水果概念的過程就是一個抽象的過程。在抽象時，同與不同，取決于從什么角度上來抽象。抽象的角度取決于分析問題的目的。
具有相同特性（數據元素）和行為（功能）的對象的抽象就是類。因此，對象的抽象是類，類的具體化就是對象，也可以說類的實例是對象。
1.3類
面向對象有三大特性：封裝、繼承、多態，這些特性主要通過類來體現。類就是一個封裝了屬性以及相關操作的代碼的邏輯實體。
類具有屬性，它是對象的狀態的抽象，用數據結構來描述類的屬性。
類具有方法，它是對象的行為的抽象，用方法名和實現該操作的方法來描述。
除了封裝屬性和操作外，類還具有訪問控制的功能，比如，某些屬性和方法可以是私有的，不能被外界訪問，通過訪問控制，能夠對內部數據提供不同級別的保護，以防止外界意外地改變或使用了私有部分。不同的編程語言提供的訪問控制等級不盡相同，但都有公有、私有兩個等級。
類是抽象的數據類型，在內存中并不存在(Python等動態語言除外)，只有類的實例存在于內存中。
2UML類圖
在面向對象設計開發中，通常使用UML工具來進行分析設計。比如，可以使用UML類圖來描述類。
UML類圖很簡單，用一個矩形框代表一個類，矩形框內部被隔為三部分：上面部分為類的名字，中間部分為類的屬性，下面部分為類的方法。對于屬性和方法，還可以使用“+”、“-”修飾符來表示訪問權限，“+”為公有屬性、“-”為私有屬性。
如圖1所示，該類圖描述了一個名為“Human”的類。“Human”類抽象并封裝了“人”；屬性“name”是對人姓名的抽象，因為人的姓名是公開的，所以被設置為公有屬性；屬性“money”是對人所擁有的財富的抽象，因為每個人的財富都不是公開的，所以被設置為私有屬性；方法“buy”是對購物這一行為的抽象，方法“talk”是對講話這一行為的抽象，這兩個方法都是社會活動，所以被設置為公有屬性。
設計類的過程就是抽象的過程，抽象的結果取決于抽象時所站的角度，比如，如果是警察來抽象“Human”，他可能會添加一個“isBadGuy”屬性。
UML類圖主要用于輔助分析和設計階段，在設計類時應聚焦在與當前問題有關的重要屬性和行為，無關的屬性和方法統統去掉，確保UML類圖是簡潔有效的。除非私有屬性或方法會影響到問題的理解或者類的實現，否則UML類圖中不要出現私有屬性和方法，私有屬性通常在實現階段才會去考慮。
UML類圖以及其他UML元素都是輔助軟件開發的工具，使用UML進行設計時，只要相關人員能夠通過UML圖看懂你的設計、不妨礙溝通就可以了，即使用草稿紙來作圖也是可以的，所以，不用太過糾結那些細節，且一定要避免過度設計。
3C語言的類封裝實現
很多現代編程語言都有原生的面向對象支持，比如C++、JAVA、Python等，這些編程語言提供了class數據類型，在這些編程語言中類實際上就是一種數據類型，因此能夠更好地支持面向對象編程。
實際上，面向對象是與編程語言無關的，更像是一種思想，且不局限于軟件開發活動，任何需要分析解決問題的場合都可以使用面向對象。
C語言并沒有類的概念，但是可以從類的特性出發，利用C語言的某些特性來實現類的用法。關于類，首先要解決的就是封裝問題，類的封裝特性需要能夠封裝屬性和方法，還要有訪問控制。可以使用.h、.c文件和結構體來完成封裝。
下面以圖1中Human類的C語言實現為例來敘述C語言的類封裝問題，本文使用human.h、human.c、struct human三個元素來完成封裝，human.c為human.h中函數聲明的實現，本文不討論這些細節，所以只給出human.h的關鍵代碼片段，如下所示：
typedef struct human {
const char *name;
int _money;
} human_t;
human_t *human_init(human_t *p_this, const char *name, intmoney);
voidhuman_talk(human_t*p_this, const char*p_words);
voidhuman_buy(human_t*p_this, const char *p_something, unsignedprice, unsignedcount);
voidhuman_deinit(human_t *p_this);
(1)類名
Human類的名稱體現在human.c、human.h以及human.h中所有全局符號的命名上，這些命名全部使用關鍵字human作為前綴。
(2)屬性
Human類的屬性體現在自定義類型human_t中，human_t實際上為結構體struct human，它有兩個成員：name和_money，分別對應類圖中的屬性+name和-money，特別留意_money成員前的“_”，這是為了警示類的使用者“此成員為私有屬性，不可使用”。
(3)方法
Human類的方法體現在human_talk()、human_buy()這兩個函數上，分別對應類圖中的方法+buy()和+talk()。此外，還可以注意到有human_init()、human_deinit()這兩個函數，分別為Human類的構造、析構方法。構造、析構方法分別用于類對象的初始化和解初始化。
構造函數human_init()需要用戶提供Human對象的內存，通過第一個參數p_this傳遞，對象的內存等價于一個human_t變量。
C語言中可以使用C文件中的static函數實現私有方法，假如Human類有私有方法money_pay()，則其C語言實現如下：
// human.c
static int __human_money_pay (human_t *p_this, unsignedcost)
{ … }
UML類圖中一般不會顯式地出現構造、析構和私有這三種方法，除非需要在類的構造、析構和實現上有特殊說明。
另外需要注意的是，這幾個方法函數的第一個參數都是human_t *類型，且名稱為p_this，這是C語言面向對象編程與面向過程的最大不同：p_this為指向類實例(即對象)的指針，所有的方法操作都需要“針對”一個對象，p_this指針由類的構造函數返回，比如，human_init()構造一個Human實例，然后返回指向此實例的p_this指針，然后就可以調用human_talk(p_this, …)等方法對實例進行操作。
(4)訪問控制
在Human類的C語言實現中，屬性被定義為human_t中的兩個成員，而 human_t被定義在用戶可見的human.h中，所以human_t是暴露給用戶的，因此，從語法上講，Human類的兩個屬性是暴露給用戶的，即都是公有屬性。雖然語法上不能支持私有，但可以在編程規范上設定“私有屬性以短下劃線“_”開頭”，比如“_money”，如此從某種意義上實現了屬性的訪問控制。
在Human類的C語言實現中，方法被定義為human.c中的函數。公共方法對應的函數都沒有“static”關鍵字，且在human.h中有對應的函數聲明。而私有方法對應的函數都有“static”關鍵字，這些私有方法只能在human.c文件內部調用，對用戶不可見。由此可知，C語言本身就能支持方法的訪問控制。
4結論
本文通過使用C語言實現一個Human類，討論了如何使用C語言來實現類的封裝特性。在C++等面向對象語言中，使用class對類做了原生的支持，使用起來非常簡單。盡管C語言并不是原生支持類，但通過語言、概念、規范上的處理，也能實現類的封裝特性。用C語言實現類的封裝相當于解決了C面向對象的關鍵第一步，在其基礎之上可以引入更多現代軟件方法。
參考文獻
［1］ 百度. 百度百科/面向對象［EB/OL］.［2016-08-08］.http://baike.baidu.com/link?url=6XlXEOSlrKn87S7SJv4UW SX7EjstoDVm wJ13OAod XUrUrnZkVg3ntPFir Ey5c6mqObZZ OevQI6K3Ungq1Mq．