用C语言实现interface

1万 · 2021-11-22 09:33

本文是C语言封装设计的第四篇**，前三篇请见《C 语言面向对象的封装方式》、《 C语言面向对象的封装方式(示例)》和《C语言数据结构的封装方法》。

本文介绍C语言中如何实现接口(interface)，应用场景为：多个提供者提供的服务接口函数完全相同，但实现不同，因而在性能、可靠性等方面有所差异。比如，两个HashMap的实现，一个性能非常快，但内存占用大；另一个内存占用非常少，但性能一般。但二者提供的服务接口函数都是一样的，如get、put等。

通过interface，我们可以把服务提供者的服务界面抽象成一致的函数群，调用者只需要对接口进行编程即可，无需关心接口下面的具体实现。这是对函数群的封装。

1万 · 2021-11-22 09:34

接口(interface)技术，是非常强大的技术。通过接口，调用者可以在对服务提供者完全无感知，甚至调用者的代码写完之后，还可以继续增加新的服务提供者，无需调用者的代码做任何更改。比如，一个操作系统需要管理各种文件系统，但文件系统的种类是非常多的，无法把每一种文件系统都写入操作系统的内核中，因此内核可以对文件系统进行接口抽象，只要满足了这个接口要求，后续新的文件系统都可以注册进内核，无需对内核的代码进行任何修改。

与上面类似的业务场景，非常多，比如I/O的多种调度策略、复杂服务程序支持的各种插件接口、GUI界面对Window、Widget的接口抽象等等。

1万 · 2021-11-22 09:35

我们用文件系统的场景，来展示C语言中如何设计和实现接口。

操作系统内核是调用者，各种文件系统是服务实现者，这些文件系统都实现了如下接口：

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interface IFileSystem {

        int create_file(const char* path, int flags, int mode);

        int open_file(const char* path, int flags);

        int read_file(int fd, char* buf, int len);

        int write_file(int fd, const char* buf, int len);

        int close_file(int fd);

        // ...

}

C语言中，没有interface这个语法，因此上面的代码在C语言中，需要用struct 来实现。具体包括：

1. 每个接口函数，需要声明一个单独的函数指针类型；

2. 整个interface的方法集，用一个struct来表示，struct的成员为各个函数指针

3. 每个文件系统的实现者，各自需要一个struct来表示，这个struct的类型对调用者不可见。各个文件系统有自己的struct结构，彼此互不相同，也互不可见。

4. 接口的实现，包括两部分：1）接口函数的实现；2）文件系统的struct实例。这两部分放在一起，构成了接口的实现。我们用一个struct来把这两部分组合在一起。

5. 由于各个文件系统的struct结构，对调用者不可见，因此文件系统用void*把自己的struct指针传递给调用者。

1万 · 2021-11-22 09:38

具体的代码实现，如下：(为了保持篇幅简洁，只列了open_file和read_file 两个方法)

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//fs_interface.h

#ifndef FS_INTERFACE_H

#define FS_INTERFACE_H





// 接口函数指针类型

typedef int (*open_file_fn)(void* pfs, const char* path, int flags);

typedef int (*read_file_fn)(void* pfs, int fd, char* buf, int len);









// 接口方法集

typedef struct fs_methods_t {

        open_file_fn open_file;

        read_file_fn read_file;

} fs_methods_t;





// 接口的实现体

typedef struct file_system_interface {

        void* pfs;                              // 文件系统的具体实现struct

        fs_methods_t* pmethods; // 这个文件系统的具体接口方式实现

} file_system_interface;





// 各个文件系统，通过 register_file_system 将自己注册进内核

// const char* pname;           // 文件系统的名称，如ext2, xfs...

int register_file_system(const char* pname, file_system_interface fsi);

上面的代码中，有几个地方需要注意：

1）每个接口函数类型声明中，都比interface中的函数多了一个参数：void* pfs, 这个参数指向具体的文件系统的struct。

这样，内核才能真正对这个struct对象发起调用。

2）file_system_interface 是interface的具体实现体，里面包括2个指针：一个是指向文件系统实现体struct的指针pfs, 另一个指针指向文件系统实现的接口函数的集合。

1万 · 2021-11-22 09:38

这样，interface就是一个简单的struct，可以像简单变量一样声明、赋值和参数传递，其按值拷贝传递即可，无需传指针引用。

这样，通过 file_system_interface，内核就可以对文件系统发起调用。例如，调用ext2 文件系统的open_file:

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// find ext2 file_system_interface by name "ext2"

file_system_interface fsi = ....

// call open_file

int fd = fsi.pmethods->open_file(fsi.pfs, path, flags);

return fd;

1万 · 2021-11-22 09:39

再看看 ext2 文件系统，如何实现这个接口：

ext2_fs.h 的内容如下：

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// ext2_fs.h

#ifndef EXT2_FS_H

#define EXT2_FS_H





#include "fs_interface.h"





typedef struct ext2_fs_t {

        // ......

} ext2_fs_t;





int ext2_open_file(ext2_fs_t* pfs, const char* path, int flags);

int ext2_read_file(ext2_fs_t* pfs, int fd, char* buf, int len);





int ext2_init(void);





#endif

1万 · 2021-11-22 09:39

ext2_fs.c 的实现代码：

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// ext2_fs.c

#include "ext2_fs.h"





// 接口方法实现集合

fs_methods_t ext2_methods = {

        .open_file = (open_file_fn)ext2_open_file,

        .read_file = (read_file_fn)ext2_read_file,

};





// 服务实例

ext2_fs_t g_ext2_fs;





int ext2_init(void) {

        // init g_ext2_fs struct ....

        // ....





        file_system_interface fsi = { .pfs = &g_ext2_fs, .pmethods = &ext2_methods };

        int ret = register_file_system("ext2", fsi);

        return ret;

}









int ext2_open_file(ext2_fs_t* pfs, const char* path, int flags) {

        // ....

}





int ext2_read_file(ext2_fs_t* pfs, int fd, char* buf, int len) {

        // ....

}