前言
面向对象是一种思维方式,基本上用什么语言都是可以实现的。C语言的编程方式一般是面向过程的,但是也是可以实现面向对象的。对象是什么?什么又是面向对象?面向对象的三大特性又怎么实现,且听我细细道来。
一、面向对象基本概念
什么是对象?
此对象非彼对象,虽然有时候此对象又可以是你脑袋中的对象,那让我们从我们误解的对象开始了解吧,虽然我没有,但是用一下自己的直男思维,想想一个对象也是可以滴。那我就进入一下我这个直男脑袋中的对象吧!我有一个对象,这个对象呢,肤白貌美大长腿。用诗中的话就是“皓腕凝霜雪,垆边人似月”,美丽的江南女子,谁不喜欢呢。既然是想象,对象不只是仅仅是肤白貌美大长腿,还得爱你,在你寂寞的时候能陪你,在你难过时能在你身边,在你打游戏的时候不会无理取闹。这样的对象多好哇,简直就是梦中情人,可惜只存在想想中(叹气)。
通过上面的例子,想象中的对象,它具有了对象的特征,是不算非常符合人类的特性,易懂。那让我们从上面的例子提取出来对象的普遍特征。
特征一:属性
让我们回到我想象中的对象,对象是怎样的,皓腕凝霜雪,垆边人似月,这个是对象的属性,也就是样子。当然属性不只是样子啦,你可以添加更多的属性,比如声音好听,年龄20岁等等。
特征二:行为
对象具有的动作就是行为。在上面的例子就是,对象非常爱你,难过的时候能陪你,寂寞的时候也能陪你等等,就是这个对象具有的动作,对象能干什么。
对象与类
我们知道了对象是什么,但是你有没有发现这个对象是很广泛的,也就是我想象中的对象不知有一个,符合我想象中对象的特征可以多个,也就是我可以想象又很多个对象。我可以想象有”后宫佳丽三千人“,这三个都符合我对象的特征。这些特征就是类,也就是符合我想象的人不只是只有一个,可以有多个,只要这个人符合我想象的特征,她就是在这个类下面的。
那么类与对象的关系又是怎样的?对象就是符合这个类的特例,怎么理解呢?
在我的想象中,符合大美女的属性有很多,但是我不知道具体是谁,但是有一天我在动漫中看见了这个人,她叫小A。小A就是在大美女类下面的一个对象。又有一天,我又碰到一个人,也符合我定义的大美女,这个对象,她叫小B。小A和小B都是符合定义的,也就是在这个类下面的,而小A和小B是一个特例,也就是这个类下面的人,是独一无二的。
面向对象的编程方式
老生常谈,先简单看看面向过程的编程方式是怎样的?设想一个场景,刺激点的。有一天杰哥想你了,打算和你回家一起打电动,那他该怎么做才能邀请到你回家一起打电动?
面向过程的解决方式:简单点的方式简化一下
1:他首先西装革履,打扮的人模狗样,看起来十分帅气,小姐姐看了表示很赞
2:打车到你家
3:盛情邀约
面向对象的解决方式又是怎样的呢:我们看他邀请你涉及几个对象,打车对象,邀请对象,打电动对象,回家对象。那对象是怎么做的呢?那让我们看一下执行顺序:杰哥首先调用了打扮的对象进行了打扮,然后调用打车对象去了你家。到了你家后调用了邀请对象的行为发出了邀请,然后你调用了邀请对象的行为拒绝了杰哥,杰哥调用了情绪的对象的行为,发出了很难过的感觉。
打扮对象:
- 行为:打扮
打车对象:
- 属性:打车人
- 属性:打车地点
- 行为:上车
邀请对象:
- 属性:邀请人
- 属性:邀请结果
- 行为1:接受
- 行为2:拒绝
- 行为3:发出邀请
回家对象:
- 属性:回家的路
- 属性:回家的时间
- 行为:回家
情绪:
- 属性:程度
- 行为1:伤心
- 行为2:难过
- 行为3:非常难过
通过上面的例子,大概了解到了与面向过程的区别了,面向对象的编程方式的单元是对象,做了什么事情也是以对象执行动作。对象可以被很多对象调用,杰哥可以调用邀请对象中的邀请行为,你也可以调用邀请对象发出拒绝邀请的动作。对象的属性是怎样的,怎样定义是灵活的。
看到上面的例子:面向对象的编程方式=面向过程+面向对象。对象将某一些行为高度封装,然后由指挥官也就是我们自己按照自己的想法按照某个顺序调用(面向过程),在过程中,对象之间会进行一定的数据交互与一定的对象之间的行为调用。
再举个例子:实现一个循迹小车
构建对象:传感器 控制器 小车
小车对象:
- 属性:当前偏移值
- 行为:前进 ,后退 ,左转 ,右转
控制器:
- 属性:输入值,输出值
- 行为:计算控制值
传感器:
- 属性:传感器测量值 传感器数量 传感器
- 行为:测量
//伪代码
void Follow_mark(void)
{
调用传感器对象进行测量,将测量值保存到器测量值
调用控制器对象,将传感器测量值作为输入参数,计算得到结果进行保存
调用小车对象,根据控制传入的控制值,计算当前偏移量,然后根据偏移量调用左转/右转行为
}
二、C语言实现面向对象
面向对象的三大特征
了解了面向对象的思想,思想是最重要的,特征是次要的。面向对象具有三大特征,我们或多或少都可以实现,java,python,C++都有,但是C也是可以实现的,只是会比较麻烦,三大特征分别是封装,继承,多态。这三大特征能够帮助实现面向对象的编程,使得面向对象变得更优雅。我们先了解三大特征之三大特征之封装。
面向对象之封装
简介
封装就是将对象的特征进行封装,使之对象的属性和行为只能通过对象进行访问。在上面的例子中,邀请的对象,它的属性与行为是被封装好的,我们只能调用邀请这个对象才能调用邀请对象的行为。
优势:
1、隐藏内部细节,类似函数,只需要调用这个邀请对象的行为发出邀请,而不需要知道里面的底层实现
2、更安全,复用性更好。对象的值都是被封装好的,隐藏掉的,一般是程序员只会提供相应的接口来访问,不能直接修改。复用性,从上面的例子,谁都可以调用对象的行为。
代码实现–基础版
基础版不涉及函数指针与函数表,先学习这个基础版的,理解好面向对象的最简单的封装的实现。
在实现前我们先想一想C到底有什么结构可以实现封装属性,各种属性。这个很简单,结构体嘛,能放各种类型的属性。
行为又怎么体现呢,可以实现各种行为,函数嘛。后面的多态会涉及函数指针,使用函数指针可以实现多态,这都是后面的事情,后面的文章会有简介。
那让我们做一个PID控制器的对象吧,如果不懂的小伙伴也没关系,这个只是控制器,有输入,输出,调试参数,了解这些就行了。具体实现过程,内部细节不懂也没关系,这个不重要,我代码会标出来的。
那我们直接阅读代码,进入困难模式:代码会有比较详细的注释,很容易看懂!
//开始构造对象,既然是控制器,对象必须具有输入,输出,调试参数
//属性就是:参数值,输入值,输出值
//行为就是:设置参数,查看参数,根据输入计算输出,构造对象,删除对象
//属性:用结构体实现
#include "stdio.h"
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
//控制器对象
//控制器对象属性
typedef struct
{
int input;
int ouput;
int P_parameter,I_parameter,D_parameter;
int Sum_error;
int Last_error;
}controller;
//构造对象,初始化
controller *Ctor_controller(void)
{
controller *temp;
temp=(controller *)malloc(sizeof(controller));
//清零
memset(temp,0,sizeof(controller));
return temp;
}
//删除对象
void Del_ontroller(controller * const Me)
{
if(Me!=NULL) free(Me);
}
//设置控制器参数
void Write_controller(controller * const Me,int P,int I,int D)
{
Me->P_parameter=P;
Me->I_parameter=I;
Me->D_parameter=D;
}
//读取控制器参数的值
controller Read_controller(const controller * const Me,int P,int I,int D)
{
return (*Me);
}
//计算控制器输出,细节看不懂没关系,只需要知道传入的是偏差,就会有输出一个计算结果就行,这个结果能够帮助控制
//至于偏差怎么定义什么时候需要用到PID控制器就知道了
int Out_controller(controller * const Me,int input)
{
float iIncpid=0;
int now_error=input;//当前偏差
Me->Sum_error+=input;
//积分量限幅,方式积分饱和过深
if(Me->Sum_error >500)
{
Me->Sum_error = 500 ;
}
if(Me->Sum_error < -500)
{
Me->Sum_error = -500 ;
}
Me->ouput=Me->P_parameter * input // P
+Me->I_parameter * Me->Sum_error // I
+Me->D_parameter * (now_error-Me->Last_error); // D
Me->Last_error=now_error; // 存储误差,用于下次计算
return(Me->ouput); // 返回计算值
}
int main()
{
controller *test;
controller read_val;
//构造,创建一个对象
test=Ctor_controller();
//设置对象的值
Write_controller(test,1,1,1);
//查看对象的值
read_val=Read_controller(test,1,1,1);
printf("对象 P= %d I=%d D=%d \r\n",read_val.P_parameter,read_val.I_parameter,read_val.D_parameter);
//调用控制器一次:
printf("控制器输出=%d \r\n",Out_controller(test,100));
//删除/销毁一个对象
Del_ontroller(test);
}
输出结果:
对象 P= 1 I=1 D=1
控制器输出=300
从上面的例子可以看出来,我直接调用对象,就可以实现封装,设置,查看等,注意使用了需要手动调用删除,不然容易出现内存泄漏,对象的生存时间就是我们程序员自己释放前的时间。
这里是使用堆的方式,容易出现内存溢出的情况,如果是单片机等其他资源较小的单元,可以使用其他方式构造对象,比如下面:对象的生存时间就是主函数的结束时间,编译器替我们释放了对象的资源,不需要我们主动进行释放。
#include "stdio.h"
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
//控制器对象
//控制器对象属性
typedef struct
{
int input;
int ouput;
int P_parameter,I_parameter,D_parameter;
int Sum_error;
int Last_error;
}controller;
//构造对象,初始化
void Ctor_controller(controller * const Me)
{
//清零
memset(Me,0,sizeof(controller));
}
//删除对象
void Del_ontroller(controller * const Me)
{
;
}
//设置控制器参数
void Write_controller(controller * const Me,int P,int I,int D)
{
Me->P_parameter=P;
Me->I_parameter=I;
Me->D_parameter=D;
}
//读取控制器参数的值
controller Read_controller(const controller * const Me,int P,int I,int D)
{
return (*Me);
}
//计算控制器输出,细节看不懂没关系,只需要知道传入的是偏差,就会有输出一个计算结果就行,这个结果能够帮助控制
//至于偏差怎么定义什么时候需要用到PID控制器就知道了
int Out_controller(controller * const Me,int input)
{
float iIncpid=0;
int now_error=input;//当前偏差
Me->Sum_error+=input;
//积分量限幅,方式积分饱和过深
if(Me->Sum_error >500)
{
Me->Sum_error = 500 ;
}
if(Me->Sum_error < -500)
{
Me->Sum_error = -500 ;
}
Me->ouput=Me->P_parameter * input // P
+Me->I_parameter * Me->Sum_error // I
+Me->D_parameter * (now_error-Me->Last_error); // D
Me->Last_error=now_error; // 存储误差,用于下次计算
return(Me->ouput); // 返回计算值
}
int main()
{
controller test;
controller read_val;
//构造,创建一个对象
Ctor_controller(&test);
//设置对象的值
Write_controller(&test,1,1,1);
//查看对象的值
read_val=Read_controller(&test,1,1,1);
printf("对象 P= %d I=%d D=%d \r\n",read_val.P_parameter,read_val.I_parameter,read_val.D_parameter);
//调用控制器一次:
printf("控制器输出=%d \r\n",Out_controller(&test,100));
}
代码实现-进阶版
到进阶版,才能够完整的看到封装的实现,封装里面就具有了对象的属性与行为。这里我们通过函数指针访问对象的行为,我们可以通过函数指针访问对象的行为。
那具体行为是怎么实现的呢?实现是通过函数表中的函数指针来访问函数,以此来实现不同函数的调用,从而实现对象的行为。
那让我们看一下代码实现,然后分析指针指向就知道函数是怎么实现的。
头文件 :定义了对象的属性与行为
#ifndef __OOP_H
#define __OOP_H
//控制器对象
struct controller_vtbl;
typedef struct
{
//对象属性
int input;
int ouput;
int P_parameter,I_parameter,D_parameter;
int Sum_error;
int Last_error;
//对象行为指针,通过指针访问函数
struct controller_vtbl *vptr;
}controller;
//对象的行为所在表,定义对象的行为在这里,通过定义函数指针指向需要实现对象行为的指针
struct controller_vtbl
{
controller * (*Ctor_controller)(void);
void (*Del_controller)(controller * const Me);
controller (*Read_controller)(const controller * const Me);
void (*Write_controller)(controller * const Me,int P,int I,int D);
int (*Out_controller)(controller * const Me,int input);
};
//对象行为函数
controller * Ctor_controller(void);
void Del_controller(controller * const Me);
controller Read_controller(const controller * const Me);
void Write_controller(controller * const Me,int P,int I,int D);
int Out_controller(controller * const Me,int input);
#endif
源文件::具体函数的行为属性的实现就在这里
//开始构造对象,既然是控制器,对象必须具有输入,输出,调试参数
//属性就是:参数值,输入值,输出值
//行为就是:设置参数,查看参数,根据输入计算输出,构造对象,删除对象
//属性:用结构体实现
#include "stdio.h"
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include "temp.h"
//构造对象,初始化
controller * Ctor_controller(void)
{
controller *ptr;
struct controller_vtbl *table;
ptr=(controller *)malloc(sizeof(controller));
table=(struct controller_vtbl *)malloc(sizeof(struct controller_vtbl));
//清零
memset(ptr,0,sizeof(controller));
table->Ctor_controller=&Ctor_controller;
table->Del_controller=&Del_controller;
table->Out_controller=&Out_controller;
table->Write_controller=&Write_controller;
table->Read_controller=&Read_controller;
ptr->vptr=table;
return ptr;
}
//删除对象/析构对象
void Del_controller(controller * const Me)
{
if(Me!=NULL)
{
free(Me->vptr);
free(Me);
}
}
//设置控制器参数
void Write_controller(controller * const Me,int P,int I,int D)
{
Me->P_parameter=P;
Me->I_parameter=I;
Me->D_parameter=D;
}
//读取控制器参数的值
controller Read_controller(const controller * const Me)
{
return (*Me);
}
//计算控制器输出,细节看不懂没关系,只需要知道传入的是偏差,就会有输出一个计算结果就行,这个结果能够帮助控制
//至于偏差怎么定义什么时候需要用到PID控制器就知道了
int Out_controller(controller * const Me,int input)
{
float iIncpid=0;
int now_error=input;//当前偏差
Me->Sum_error+=input;
//积分量限幅,方式积分饱和过深
if(Me->Sum_error >500)
{
Me->Sum_error = 500 ;
}
if(Me->Sum_error < -500)
{
Me->Sum_error = -500 ;
}
Me->ouput=Me->P_parameter * input // P
+Me->I_parameter * Me->Sum_error // I
+Me->D_parameter * (now_error-Me->Last_error); // D
Me->Last_error=now_error; // 存储误差,用于下次计算
return(Me->ouput); // 返回计算值
}
int main()
{
controller *test;
controller read_val;
//构造,创建一个对象,返回对象指针
test=Ctor_controller();
//设置对象的值
test->vptr->Write_controller(test,1,1,1);
//查看对象的值
read_val=test->vptr->Read_controller(test);
printf("对象 P= %d I=%d D=%d \r\n",read_val.P_parameter,read_val.I_parameter,read_val.D_parameter);
//调用控制器一次:
printf("控制器输出=%d \r\n",test->vptr->Out_controller(test,100));
//删除/销毁一个对象
test->vptr->Del_controller(test);
}
运行结果:
对象 P= 1 I=1 D=1
控制器输出=300
可以看到,我们这次操作对象并不是直接调用函数,而是通过指针的方式来访问具体的哪个函数,而指针是在创建的对象里面的,这样就可以直接通过对象来访问它的行为。
后面实现多态也是使用了函数指针的方式,在多态里面这里的指针与行为表有了它自己的名字,就是虚指针与虚表。
总结
知道了什么是对象,对象与类的关系,以及如何实现面向对象的封装,下一篇将了解到面向对象的继承,如何用C语言来实现,例子依然是PID控制器,不过会对控制器进行继承,更高级的实现。
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