一種基于模塊的類實現(xiàn)

摘要：在面向對象編程中類是對象的集合體，實現(xiàn)封裝的關鍵。針對面向對象語言和C語言的優(yōu)缺點，通過對C語言支持模塊編程特性的討論，提出一種用C語言文件來實現(xiàn)面向對象中類的特性的方法，使面向對象技術應用在資源緊張的環(huán)境中。通過實例表明程序具有較高的執(zhí)行效率，并且保持良好的可維護性。

關鍵詞：面向對象；類；模塊；結構體；C

中圖分類號：TP312文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)34-1670-03

Implementation of Class Based on Module

XU Bao-lei， HE Xian-bo

(Computer College， China West Normal University， Nanchong 637002， China)

Abstract: In the Object-Oriented， the class is the aggregation of objects， the key of implementing the encapsulation. According an advantage of Object-Oriented technique and C language， through discuss the support of the C language to module programme， put forward a kind of method of characteristic which implementation the class in the Object-Oriented with the C language. Make the problem has heigher executive efficiency， and keeps the high maintainability. Giving some codes to explain how it implementation.

Key words: Object-Oriented; class; module; struct; C

1 引言

對于復雜的嵌入式軟件項目，C++所體現(xiàn)的面向對象的分析和設計方法和消息模型驅動的軟件開發(fā)過程能夠顯著提高開發(fā)效率以及項目的可管理性和可維護性；但是C++語言本身對系統(tǒng)資源的要求高，使得在許多情況下不能直接用來開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件。而C++是從C語言發(fā)展而來，是C的擴展集，因此使用C語言進行程序設計實現(xiàn)C++面向對象的思想不失為一個很好的選擇。

2 對象式與過程式比較

對象式程序設計是一種以數(shù)據(jù)為中心，基于數(shù)據(jù)抽象的程序設計范型[1]。一個面向對象程序由一些對象構成，對象是由一些數(shù)據(jù)及可施于這些數(shù)據(jù)的操作所構成的封裝體。對象的特證由相應的類來描述，一個類可以從其他類繼承。面向對象的執(zhí)行過程體現(xiàn)為各個對象之間相互發(fā)送和處理消息。面向對象程序設計可描述為：程序=對象/類+…對象/類=數(shù)據(jù)+操作。面向對象程序設計有著眾多優(yōu)點：采用數(shù)據(jù)抽象，以數(shù)據(jù)為中心把數(shù)據(jù)及能對其實施的操作作為一個整體（對象）來描述，加強了對數(shù)據(jù)的保護；可靠性高，所開發(fā)的程序更健壯，有較高的安全性檢查；可重用性高，在應用程序中采用類庫，縮短了開發(fā)時間；繼承和數(shù)據(jù)封裝使得應用程序的修改帶來的影響更加局部化，應用程序更易于維護。而其固有的缺點就是CPU時間的開銷，在實際應用中，C++的實現(xiàn)可能比用FORTRAN寫的相同的應用程序慢25%以上[2]。

過程式程序設計是以功能為中心，基于功能分解的程序設計范型[1]。過程式程序的執(zhí)行過程體現(xiàn)為一系列的子程序調用。過程式程序設計可描述為：程序=算法+數(shù)據(jù)結構，算法是數(shù)據(jù)加工步驟的描述，而數(shù)據(jù)結構是對要加工的數(shù)據(jù)的描述。C語言是一種面向過程的結構化編程語言，既有高級語言易于開發(fā)的特點又具有低級語言效率高的優(yōu)點：C語言程序效率比較高，包括執(zhí)行速度快和占用空間少；又具有低級語言才具有的一些描述能力，如數(shù)據(jù)位操作和內存地址操作，容易與匯編語言結合直接操作硬件；因此廣泛使用于操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)。但是C語言與面向對象語言C++相比在開發(fā)階段有許多缺點：過程式語言采用的是過程抽象，它對數(shù)據(jù)和操作的描述是分離的，數(shù)據(jù)處于附屬地位，獨立于操作，在程序調用中作為參數(shù)傳遞給子程序，不利于程序的設計、理解何維護；采用過程式封裝，即僅對數(shù)據(jù)操作的封裝，缺乏對數(shù)據(jù)的保護；編程結構不優(yōu)越，子程序功能的變化會導致程序結構的變化，從而是程序難以復用。

3 模塊設計方法

面向對象的程序設計方法起源于信息隱藏和抽象數(shù)據(jù)類型概念，其設計靈魂就是使用類中的private成員變量隱藏類實現(xiàn)，使用public成員變量暴露類接口，類實現(xiàn)了面向對象中封裝的特性，這使得類的設計成為實現(xiàn)面向對象方法的關鍵。

在C++中，類的定義包括聲明和實現(xiàn)兩個部分[3]。聲明部分包括class語句，它確定了類的屬性和行為。當在程序中使用類創(chuàng)建對象時，僅僅是類的公共成員對程序可見，同時隱藏私有成員，程序必須通過公共成員函數(shù)間接的訪問私有成員。

在軟件開發(fā)中，通常是利用C語言的結構體（struct）來模擬類實現(xiàn)封裝[4]，在C語言的結構中定義一些函數(shù)指針成員，在結構體初始化時，使他們各自指向所代表的函數(shù)，將數(shù)據(jù)與處理函數(shù)綁定在一起。但結構體和C++中的類并非嚴格意義上的同義詞，其區(qū)別在于，結構體的成員默認是公有的，而類的成員默認的是私有的[5]。而且結構體只能封裝數(shù)據(jù)（成員變量），操作（成員函數(shù)）常常是定義成全局變量，但是無限制的全局變量通常會有害于程序的可讀性和可維護性。對此我們可以利用C語言支持模塊式的編程風格把單個面向對象的C++程序轉變?yōu)槎鄠€C語言文件來實現(xiàn)封裝。C語言提供typedef保留字用于定義新的數(shù)據(jù)類型，同樣可以用它來模仿類的概念，以結構類型實現(xiàn)數(shù)據(jù)和方法的封裝[6]。通常，模塊一經(jīng)別的程序單元引用，當中的數(shù)據(jù)和例程就可訪問了。從這個意義上說，模塊類似于C++中的類，是用來模擬面向對象程序設計主要特性的基礎框架[7]。

對程序的邏輯單元進行分組體現(xiàn)了程序設計中模塊的概念，一個模塊通常由一組功能相關（共同實現(xiàn)一個邏輯功能）的程序實體的定義組成，按照“高內聚、低耦合”原則劃分模塊。在C語言中一個模塊可以分為“實現(xiàn)”和“接口”兩部分[8]，“接口”部分主要指.h頭文件，用于定義本模塊使用的數(shù)據(jù)結構或函數(shù)以及任何使用該模塊的程序之間的接口；“實現(xiàn)”部分主要指C程序的源文件，包含了所有函數(shù)的代碼，用于具體實現(xiàn)。

在C語言中關鍵字extern和static可以限定函數(shù)或變量的作用范圍，具體如表1所示。

static可以實現(xiàn)一定的信息隱藏，達到封裝的目的。用extern關鍵字可以引用外部變量，實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的引用。基于這種特性我們在C語言中創(chuàng)建“基于模塊”的類來實現(xiàn)面向對象中類的特性，把一個大的面向對象的程序轉換成多個清晰定義的“類”文件和“實現(xiàn)”文件，如圖1所示。

模塊的頭文件等價于類的接口，包含導出到其它模塊的數(shù)據(jù)和子程序，并且加強類型安全檢查。

參考以下的原則進行設計頭文件和實現(xiàn)文件：

.h頭文件中不能有數(shù)據(jù)的定義和可執(zhí)行代碼，只能有宏、類型（typedef， struct， union， menu），數(shù)據(jù)和函數(shù)的聲明。使用C語言的關鍵字static來確保只有本模塊中的函數(shù)才能訪問這個數(shù)據(jù)，此模塊變成了我們的“類”，且模塊中static類型的數(shù)據(jù)成為類的私有數(shù)據(jù)成員，該模塊中的函數(shù)就成為模塊類的成員函數(shù)（公用）。“公有”成員函數(shù)在.h文件中定義它們的原型[9]。

“私有”成員函數(shù)（該函數(shù)只能被在某個特殊模塊內定義的函數(shù)調用），只需通過在.c實現(xiàn)文件中包含某個類的函數(shù)原型即可。“私有”成員函數(shù)用關鍵字static在.c實現(xiàn)文件中有它的原型。

#include預處理指令來手工導入類的頭文件，使得文件中的函數(shù)可以訪問封裝在另一個文件中該數(shù)據(jù)對象，是繼承和重入的一種弱形式。#include指令由于具有傳遞的特性使得程序容易形成循環(huán)依賴，所以要使用#ifndef語句來判斷。

4 簡單實例代碼

以下面的模塊為例，介紹“基于模塊的類”的設計。模塊定義了一個date(時間)類，包括屬性以及對屬性的操作，在這里我們只關注代碼的結構。

.h頭文件，包括數(shù)據(jù)抽象類型date以及對其操作的定義。

/* date.h */

static int month;

static int day;

static int year;

/*下面是date的“成員”函數(shù)*/

void setdate(int，int，int，int，int，int);

int getdate(int，int，int);

.c實現(xiàn)文件，定義了函數(shù)的具體實現(xiàn)；

/* plant.c */

#include＜stdio.h＞

#include \"date.h\"

extern void setdate(int m，int d，int y，int month，int day，int year)

{month=m;

day=d;

year=y;

}

extern int getdate(int month，int day，int year)

{return year;}

main.c函數(shù)，主要是調用類模塊，并且測試時間時使用，模塊的調用者，

#include＜stdio.h＞

/*＜time.h＞、＜math.h＞庫是用來測試程序運行時間的；*/

#include ＜time.h＞

#include ＜math.h＞

#include\"date.h\" //定義的類；

int main()

{int i=0; // 循環(huán)測試次數(shù)i;

int m=5;

int d=8;

int y=2008;

//定義兩個long類型的變量，放置時間；

long start，end;

start = clock();// 開始時間；

for(i=0;i＜10000;i++)

{void assigndate(m，d，y，month，day，year);

int result=getdate(month，day，year);

printf(\"Employee hire data %d\\"，result);

}

end = clock();// 結束時間；

printf(\"%ld\\"，end-start);//單位：毫秒

return 0;

}

模塊對應的c++實現(xiàn)文件為：

//類定義，定義一個date類，

class Date

{public:

Date();

void setDate(int，int，int);

int getDate();

private:

int month;

int day;

int year;

};

Date::Date()

{month=\"\";

day=\"\";

year=\"\";

}

void Date::setDate(int m，int d，int y)

{month=m;

day=d;

year=y;

}

int Date::getDate()

{return year; }

/* data.cpp */

#include＜iostream＞

#include＜cstdio＞

#include＜iostream＞

using namespace std;

#include \"date.h\"

#include ＜time.h＞

#include ＜math.h＞

int main()

{long start，end;

start = clock();

int i=0; // 循環(huán)測試次數(shù)i;

for(i=0;i＜10000;i++)

{

Date dateobj;

int hiremonth=\"May\";

int hireday=\"Eight\";

int hireyear=\"2008\";

dateobj.setDate(hiremonth，hireday，hireyear);

cout＜＜\"Enployee hire data\"＜＜endl;

cout＜＜dateobj.getDate()＜＜endl;

}

end = clock();

printf(\"%ld\\"，end-start);//單位：毫秒

return 0;

}

圖2是對上面程序的測試比較，其中i是循環(huán)的次數(shù)，測試時間的單位是毫秒。

5 結束語

面向對象的思想已經(jīng)在C語言中得到了廣泛的利用，例如MiniGUI圖形支持系統(tǒng)99%以上的代碼是C代碼，為了保證具有良好的靈活性和可擴展性，MiniGUI的開發(fā)中使用了許多面向對象的技術。用模塊實現(xiàn)類的方法更適合于系統(tǒng)資源緊張且與硬件緊密相關的嵌入式系統(tǒng)底層軟件開發(fā)中，利用了過程式語言和面向對象語言的各自優(yōu)點，保證了程序的高效性簡潔性和可維護性，析取硬件相關性與系統(tǒng)特定代碼并把它們封裝到簡單的低層次模塊中，并創(chuàng)建訪問接口。而且使用模塊化和面向對象的設計方法比用常規(guī)的程序設計方法能夠使軟件開發(fā)的生產(chǎn)率提高10～100倍[10]。

參考文獻

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