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代碼封裝是為了什么 怎么封裝

很多程序員小白在剛剛踏入職場，做程序開發(fā)工作的時候，經(jīng)常會被項目經(jīng)理叫去喝茶。

小白，你寫的這代碼耦合太嚴重啦，簡直沒有設計可言，更不要說擴展性和靈活性，所有的功能都定義在一個類里，這樣隨著功能的增多，代碼就越來越復雜。你趕緊把代碼拆分一下，各功能進行一下代碼封裝。

1那什么是封裝呢?

封裝，在C語言編程中，大部分時候用一個函數(shù)調用(API)將一個復雜過程的細節(jié)屏蔽起來，用戶不需要了解細節(jié)，只需要調用該函數(shù)就能實現(xiàn)相應的行為。例如吃飯函數(shù)，將盛飯，動筷子，夾菜，張嘴，咀嚼，下咽等細節(jié)屏蔽起來，我們只需要調用吃飯函數(shù)，默認就實現(xiàn)了一遍這樣的流程。

面向對象思想中的封裝使用更廣泛，即一個對象類(C語言中用結構體代替)，需要隱藏用戶不需要也不應該知道的行為和屬性。用戶在訪問對象時，不需要了解被封裝的對象和屬性，就能使用該對象類，同時對象類也應該通過權限設置，禁止用戶過多地了解被封裝的對象屬性與行為。

封裝的思想都是為了讓用戶不需要了解對象過多的細節(jié)，就能直接通過API來使用對象，從而達到模塊化編程，程序員分工合作，各自負責維護自己負責模塊對象細節(jié)的作用。這個原則普遍存在于現(xiàn)實生活中，在軟件開發(fā)領域也始終提倡著。

2為什么要進行代碼封裝?

我們寫程序是用來解決問題的，而且要解決的是現(xiàn)實中的問題，所以我們需要將現(xiàn)實問題轉化為符號化的問題，而現(xiàn)實中的問題是由個體所組成的，所以我們將數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的方法封裝起來形成一個個體，這個個體在問題里面有專門的功能，比如一張紙可以折疊，一支筆可以寫，這樣有助于我們以自身的角度進行思考分析，這就是面向對象。如果用面向過程的思路，會導致問題與程序之間的轉化不好處理，可能使解決問題出現(xiàn)偏差。

封裝的過程，其實就是對事物進行抽象的過程，也是對事物進行認識的過程，我們從開始到現(xiàn)在，封裝的層次越來越深，處理的問題也越來越復雜。因為我們需要理清復雜問題的內部規(guī)律，從而找出解決問題的辦法，而深層次的封裝使問題恢復成本來的樣子就是一種解決辦法。所以說封裝是在面對軟件復雜度增加，開發(fā)過程中遇到各種瓶頸時，為了解決這些問題而提出的，通過封裝可以達到模塊化編程，程序員分工合作，各自負責維護自己負責模塊對象細節(jié)的作用。當封裝的程度達到了一定的水平，就是面向對象的程序設計思想。

3什么是面向對象思想，和面向過程有什么不同?

所謂面向對象的思想其實就是一種在代碼編寫之上的軟件系統(tǒng)結構設計的思想，和語言無關，并不是C++或者JAVA 、Python等語言才有的。面向對象思想，是隨著軟件系統(tǒng)的復雜度越來越高，面對大規(guī)模軟件系統(tǒng)設計的問題，而提出的一種管理大型軟件系統(tǒng)設計的思想。只是在C語言出現(xiàn)時，計算機軟硬件系統(tǒng)還在起步階段，面向對象的思想尚未發(fā)展，因而C語言中缺乏面向對象相關的核心關鍵詞語法的支持。而JAVA、Python等一些1990年代之后問世的語言，受到C++語言影響以及面向對象思想的逐漸流行，在語法層面就提供了面向對象的核心關鍵詞支持，可以說在處理面向對象問題上具有先天優(yōu)勢。雖然C語言不支持很多面向對象的核心關鍵詞，但是隨著Linux內核，F(xiàn)fmpeg，Nginx等大規(guī)模以C語言編寫的開源軟件項目的發(fā)展與推廣，C語言遇到的軟件復雜度增加以及系統(tǒng)設計與系統(tǒng)長期維護的問題，與JAVA、C++編程遇到的復雜度問題是想通的。并且，面向對象思想也是由于開發(fā)者們在開發(fā)過程中遇到瓶頸才提出來的，這些問題，不管是用C語言編程還是JAVA編程，都會客觀存在。因而用C語言模擬JAVA等面向對象的語言，采用面向對象的思想進行系統(tǒng)頂層設計是很有必要的。

面向過程與面向對象的思想用途不同，沒有好壞之分。面向對象思想更傾向于程序之上的頂層設計與程序系統(tǒng)結構設計，然后真正要實現(xiàn)一個函數(shù)細節(jié)的時候，還是需要面向過程地分析細節(jié)如何實現(xiàn)，需要初始化哪些變量，注冊哪些結構，設置哪些寄存器等面向過程的問題。

4在C語言中實現(xiàn)面向對象的思想

既然面向對象是種思想，任何語言都可以實現(xiàn)，而且這種思想最重要的幾個特性是封裝，繼承，多態(tài)。那在C語言中如何實現(xiàn)呢?

在正式介紹C語言實現(xiàn)封裝，繼承和多態(tài)事前，先介紹一下C語言中的幾個概念和語法。

4.1基本知識

(1)結構體

在C語言中，常把一個對象用結構體進行封裝，這樣便于對對象進行操作，比如：

strcut Point{

int x;

int y;

};

結構體可以嵌套。因而可以把一個結構體當成另一個結構體的成員，如：

struct Circle {

struct Point point_;

int radius;

};

該結構體與以下定義完全一樣(包括內存布置都一樣)：

struct Circle {

int x;

int y;

int radius;

};

(2)函數(shù)指針

函數(shù)指針是指針的一種，它指向函數(shù)的首地址(函數(shù)的函數(shù)名即為函數(shù)的首地址)，可以通過函數(shù)指針來調用函數(shù)。

如函數(shù)：

int func(int a[], int n);

可以這樣聲明函數(shù)指針：

int (*pFunc)(int a[], int n);

這樣使用：

pFunc = func;

(*pFunc)(a, n);【或者PFunc(a, n)】

可以用typedef定義一個函數(shù)指針類型，如：

typdef int (*FUNC)(int a[], int n)

可以這樣使用：

int cal_a(FUNC fptr, int a[], int n)

{

//實現(xiàn)體

}

(3)extern與static

extern和static是C語言中的兩個修飾符，extern可用于修飾函數(shù)或者變量，表示該變量或者函數(shù)在其他文件中進行了定義;static也可用于修飾函數(shù)或者變量，表示該函數(shù)或者變量只能在該文件中使用。可利用它們對數(shù)據(jù)或者函數(shù)進行隱藏或者限制訪問權限。

4.2封裝

在C語言中，可以用結構+函數(shù)指針來模擬類的實現(xiàn)，而用這種結構定義的變量就是對象。封裝的主要含義是隱藏內部的行為和信息，使用者只用看到對外提供的接口和公開的信息。有兩種方法實現(xiàn)封裝：

(1) 利用C語言語法。在頭文件中聲明，在C文件中真正定義它。

這樣可以隱藏內部信息，因為外部不知道對象所占內存的大小，所以不能靜態(tài)的創(chuàng)建該類的對象，只能調用類提供的創(chuàng)建函數(shù)才能創(chuàng)建。這種方法的缺陷是不支持繼承，因為子類中得不到任何關于父類的信息。如：
//頭文件：point.h
  #ifndef POINT_H
  #define POINT_H
  struct Point;
  typedef struct Point point;
  point * new_point(); //newer a point object
void free_point(point *point_);// free the allocated space
#endif
//C文件:point.c
#include”point.h”
strcut Point
 {
  int x;
  int y;
};
point * new_point()
{
point * new_point_ = (point *) malloc(sizeof(point));
return new_point_;
}
void free_point(point *point_)
{
if(point_ == NULL)
return;
free(point_);
}

(2) 把私有數(shù)據(jù)信息放在一個不透明的priv變量或者結構體中。只有類的實現(xiàn)代碼才知道priv或者結構體的真正定義。如:

#ifndef POINT _H

#define POINT_H

typedef struct Point point;

typedef struct pointPrivate pointPrivate;

strcut Point

{

Struct pointPrivate *pp;

};

int get_x(point *point_);

int get_y(point *point_);

point * new_point(); //newer a point object

void free_point(point *point_);// free the allocated space

#endif

//C文件:point.c

#include”point.h”

struct pointPrivate

{

int x;

int y;

}

int get_x(point *point_)

{

return point_->pp->x;

}

int get_y(point *point_)

{

return point_->pp->y;

}

//others…..

4.3繼承

在C語言中，可以利用“結構在內存中的布局與結構的聲明具有一致的順序”這一事實實現(xiàn)繼承。

比如我們要設計一個作圖工具，其中可能涉及到的對象有Point(點)，Circle(圓)，由于圓是由點組成的，所有可以看成Circle繼承自Point。另外，Point和Circle都需要空間申請，空間釋放等操作，所有他們有共同的基類Base。

//內存管理類new.h
 #ifndef NEW_H
  #define NEW_H
  void * new (const void * class, ...);
  void delete (void * item);
  void draw (const void * self);
  #endif
  
//內存管理類的C文件：new.c
  #include “new.h”
  #include “base.h”
  void * new (const void * _base, ...)
  {
  const struct Base * base = _base;
  void * p = calloc(1, base->size);
  assert(p);
  * (const struct Base **) p = base;
if (base ->ctor)
  {
va_list ap;
va_start(ap, _base);
 p = base ->ctor(p, &ap);
  va_end(ap);
}
  return p;
}
 
void delete (void * self)
{
const struct Base ** cp = self;
if (self && * cp && (* cp) —> dtor)
self = (* cp) —>dtor(self);
free(self);
}
  
void draw (const void * self)
{
const struct Base * const * cp = self;
assert(self &&* cp && (* cp)->draw);
(* cp) ->draw(self);
}
  
//基類：base.h
#ifndef BASE_H
#define BASE_H
struct Base
{
size_t size; //類所占空間
void * (* ctor) (void * self, va_list * app); //構造函數(shù)
void * (* dtor) (void * self); //析構函數(shù)
void (* draw) (const void * self); //作圖
};
#endif
 
//Point頭文件(對外提供的接口)：point.h
#ifndef   POINT_H
  
#define  POINT_H
extern const void * Point;                /* 使用方法：new (Point, x, y); */
#endif
 
//Point內部頭文件(外面看不到)：point.r
#ifndef POINT_R
#define POINT_R
struct Point
{
const void * base; //繼承，基類指針，放在第一個位置，const是防止修改
int x, y;        //坐標
}
#endif
  
//Point的C文件：point.c
#include “point.h”
#include “new.h”
#include “point.h”
#include “point.r”
static void * Point_ctor (void * _self, va_list * app)
{
struct Point * self = _self;
self ->x = va_arg(* app, int);
self ->y = va_arg(* app, int);
return self;
}
  
static void Point_draw (const void * _self)
{
const struct Point * self = _self;
printf(“draw (%d,%d)”, self -> x, self -> y);
}
static const struct Base _Point = {
sizeof(struct Point), Point_ctor, 0, Point_draw
};
const void * Point = & _Point;
  
//測試程序：main.c
#include “point.h”
#include “new.h”
int main (int argc, char ** argv)
{
void * p = new(Point, 1, 2);
draw(p);
delete(p);
}

同樣，Circle要繼承Point，則可以這樣：

struct Circle

{

const struct Point point; //放在第一位，可表繼承

int radius;

};

4.3多態(tài)

可以是用C語言中的萬能指針void* 實現(xiàn)多態(tài)，接上面的例子：

//測試main.c

void * p = new(Point, 1, 2);

void * pp = new(Circle, 1, 2);

draw(p); //draw函數(shù)實現(xiàn)了多態(tài)

draw(pp);

delete(p);

delete(pp);

C語言能夠模擬實現(xiàn)面向對象語言具有的特性，包括：多態(tài)，繼承，封裝等，現(xiàn)在很多開源軟件都了用C語言實現(xiàn)了這幾個特性，包括大型開源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)postgreSQL，可移植的C語言面向對象框架GObject，無線二進制運行環(huán)境BREW。采用C語言實現(xiàn)多態(tài)，繼承，封裝，能夠讓軟件有更好的可讀性，可擴展性。