本帖最后由 laocuo1142 于 2024-6-6 13:47 编辑
4 多态
多态字面含义就是具有“多种形式”。从调用者的角度看对象，会发现它们非常相似，但内部处理实际上却各不相同。换句话说，各对象虽然内部处理不同，但对于使用者（调用者）来讲，它们却是相同的。
4.1 学生的“自我介绍”
在前面提到的学生类，包含姓名、学号、性别、身高、体重等属性，并对外提供了一个“自我介绍”方法。
//微信公众号：嵌入式系统
void student_self_introduction(struct student *p_this)
{
printf("Hi! My name is %s, I'm a %s. My school number is %d. My height is %fcm and weight is %fkg",
p_this->name,
(p_this->sex == 'M') ? "boy" : "girl",
p_this->id,
p_this->height,
p_this->weight);
}
假设一个场景，开学第一课所有同学依次作一个简单的自我介绍，调用所有同学的自我介绍方法即可，范例程序如下：
void first_class(struct student *p_students, int num)
{
int i;
for(i = 0; i < num; i++)
{
student_self_introduction(&p_students);
}
}
调用该函数前，需要将所有学生对象创建好，并存于一个数组中，假定一个班级有 50个学生，则调用示意代码如下：
int main()
struct student student[50];
/*根据每个学生的信息，依次创建各个学生对象*/
student_init(&student[0], "zhangsan", 2024001, 'M', 173, 60);
student_init(&student[1], "lisi", 2024002, 'F', 168, 65);
// ...
/*上第一节课 */
first_class(student, 50);
}
上面的实现代码，假定了学生的“自我介绍”格式是完全相同的，都是将个人信息陈述一遍，显然，这样的自我介绍无法体现每个学生的个性和差异。例如，一个名叫张三的学生，其期望这样介绍自己：
“亲爱的老师，同学们！我叫张三，来自湖北仙桃，是一个自信开朗，积极向上的人，我有着广泛的兴趣爱好，喜欢打篮球、看书、下棋、听音乐……”
每个学生自我介绍的内容并不期望千篇一律。若不基于多态的思想，最简单粗暴的方式是每个学生都提供一个自我介绍方法，例如 student_zhangsan_introduction()。这种情况下每个学生提供的方法都不相同（函数名不同），根本无法统一调用，此时，第一节课的调用将会大改，需要依次调用每个学生提供的不同的自我介绍方法，例如：
void first_class()
{
student_zhangsan_introduction(&zhangshan); // 张三自我介绍
student_lisi_introduction(&lisi); // 李四自我介绍
// ….
}
无法使用同样的调用形式（函数）完成不同对象的“自我介绍”。对于调用者来讲，需要关注每个对象提供的特殊方法，复杂度将提升。
使用多态的思想即可很好的解决这个问题，进而保证 firstt_class()的内容不变，虽然每个对象方法的实现不同，但可以使用同样的形式调用它。在 C 语言中，函数指针就是解决这个问题的“利器”。
函数指针的原型决定了调用方法，例如定义函数指针：
int (*student_self_introduction) (struct student *p_student);
无论该函数指针指向何处，都表示该函数指针指向的是 int 类型返回值，具有一个*p_student 参数的函数，其调用形式如下：
student_self_introduction(p_student);
函数指针的指向代表了函数的实现，指向不同的函数就代表了不同的实现。基于此，为了使每个学生对象可以有自己独特的介绍方式，在学生类的定义中，可以不实现自我介绍方法，但可以通过函数指针约定自我介绍方法的调用形式。更新学生类的定义：
student.h 文件```
```c
//微信公众号：嵌入式系统
#ifndef __STUDENT_H
#define __STUDENT_H
struct student
{
int (*student_self_introduction)(struct student *p_student); /* 新增个性化自我介绍 */
char name[10]; /* 姓名 （假定最长 10 字符）*/
unsigned int id; /* 学号 */
char sex; /* 性别:'M'，男；'F' ，女 */
float height; /* 身高 */
float weight; /* 体重 */
};
int student_init(struct student *p_student,
char *p_name,
unsigned int id,
char sex,
float height,
float weight,
int (*student_self_introduction)(struct student *));
/* 学生类提供的自我介绍方法 */
static inline int student_self_introduction(struct student *p_student)
{
return p_student->student_self_introduction(p_student);
}
#endif
此时，对于外界来讲，学生类“自我介绍方法”的调用形式并未发生任何改变，函数原型还是一样的（由于只有一行代码，因而以内联函数的形式存放到了头文件中）。基于此，“第一节课的内容”可以保持完全不变（for循环调用全部）。在这种方式下，每个对象在初始化时，需要指定自己特殊的自我介绍方，例如张三对象的创建过程为：
int student_zhangsan_introduction(struct student *p_student)
{
const char *str = "亲爱的老师，同学们！我叫张三，来自湖北仙桃，是一个自信开朗，积极向上的人，我有着广泛的兴趣爱好，喜欢打篮球、看书、下棋、听音乐……";
printf("%s\n", str);
return 0;
}
int main()
{
struct student student[50];
/* 根据每个学生的信息，依次创建各个学生对象 */
student_init(&student[0], "zhangsan", 2024001, 'M', 173, 60, student_zhangsan_introduction);
// ...
/* 上第一节课 */
first_class(student, 50);
}
多态的核心是：对于上层调用者，不同的对象可以使用完全相同的操作方法，但是每个对象可以有各自不同的实现方式。多态是面向对象编程非常重要的特性，C 语言依赖指针实现多态。
（微信公众号【嵌入式系统】很多设计模式或硬件多型号适配都是基于这个基础，可以参考《嵌入式软件的设计模式（上）》）。
4.2 I/O 设备驱动
C 程序使用 printf()打印日志信息，在 PC 上运行时，日志信息可能输出到控制台，而在嵌入式系统中，信息可能通过某个串口输出。printf()函数的解释是输出信息至 STDOUT（标准输出）。显然printf()函数就具有多态性，对于用户来讲，其调用形式是确定的，但内部具体输出信息到哪里，却会随着 STDOUT 的不同而不同。
在一些操作系统中（如Linux），硬件设备（例串口、ADC 等）的操作方法都和文件操作方法类似（一切皆文件），都可以通过 open()、close()、read()、write()等几个标准函数进行操作。为统一 I/O 设备的使用方法，要求每个 I/O 设备都提供 open、close、read、write 这几个标准函数的实现，即每个 I/O设备的驱动程序，对这些标准函数的实现在函数调用上必须保持一致。这本质上就是一个多态问题，即以同样的方法使用不同的 I/O 设备。
通过函数指针解决这个问题，首先定义file_ops结构体，包含了相对应的函数指针，指向I/O 设备针对操作的实现函数。
file_ops.h 文件
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//代码片段只是原理性展示
struct file_ops
{
void (*open)(char *name, int mode);
void (*close)();
int (*read)();
void (*write)();
};
对于 I/O设备，其驱动程序提供这 4个函数的实现，并将 file_ops结构体的函数指针指向对应的函数。
#include "file_ops.h"
static void open(char *name, int mode)
{
//...
}
static void close()
{
//...
}
static int read()
{
//...
}
static void write()
{
//...
}
struct file_ops my_console = {open, close, read, write};
所有的函数都使用 static修饰符，避免与外部的函数产生命名冲突。对于该设备，仅对外提供了一个可以使用的 file_ops 对象 my_console。
上面展示了设备 I/O 的一般管理方法，其中的编程方法或技巧正是面向对象编程中多态的基础，也再一次展现了函数指针在多态中的重要地位，多态可以视为函数指针的一种典型应用。（微信公众号【嵌入式系统】类似使用是Linux设备驱动的基础）。
4.3 带检查功能的栈
前面范例实现了栈的核心逻辑（入栈和出栈），假设现在增加需求，实现“带检查功能的栈”，即在数据入栈之前，必须进行特定的检查，“检查通过”后才能压人栈中。检查方式有多种：
范围检查：必须在特定的范围之内，比如1 ~ 9，才视为检查通过；
奇偶检查：必须是奇数或者偶数，才视为检查通过；
变化检查：值必须增加（比上一次的值大），才视为检查通过。
4.3.1 基于继承实现“带范围检查功能”的栈
先不考虑多种检查方式，仅实现范围检查。参照“命名栈”的实现，使用继承方式，在普通栈的基础上实现一个新类，范例程序如下：
stack_with_range_check.h 带范围检查的栈
#ifndef __STACK_WITH_RANGE_CHECK_H
#define __STACK_WITH_RANGE_CHECK_H
#include "stack.h" /* 包含基类头文件 */
struct stack_with_range_check
{
struct stack super; /* 基类（超类）*/
int min; /* 最小值 */
int max; /* 最大值 */
};
int stack_with_range_check_init(struct stack_with_range_check *p_stack,
int *p_buf,
int size,
int min, int max);
/* 入栈 */
int stack_with_range_check_push(struct stack_with_range_check *p_stack, int val);
/* 出栈 */
int stack_with_range_check_pop(struct stack_with_range_check *p_stack, int *p_val);
#endif
带范围检查的栈 C 文件 stack_with_range_check.c
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#include "stack_with_range_check.h"
int stack_with_range_check_init(struct stack_with_range_check *p_stack,
int *p_buf,
int size,
int min, int max)
{
/* 初始化基类 */
stack_init(&p_stack->super, p_buf, size);
/* 初始化子类成员 */
p_stack->min = min;
p_stack->max = max;
return 0;
}
int stack_with_range_check_push(struct stack_with_range_check *p_stack, int val)
{
if((val >= p_stack->min) && (val <= p_stack->max)) //差异点
{
return stack_push(&p_stack->super, val);
}
return -1;
}
int stack_with_range_check_pop(struct stack_with_range_check *p_stack, int *p_val)
{
return stack_pop(&p_stack->super, p_val);
}
为了接口的简洁性，没有再展示解初始化等函数的定义。新增入栈时作检查，出栈和普通栈是完全相同的，但基于最小知识原则也封装了一个 pop 接口，使该类的用户完全不需要关心普通栈。
依照这个方法，可以实现其它检查方式的栈。核心是实现带检查功能的入栈函数，因而仅简单展示另外两种检查方式下入栈函数的实现，分别如下：
//奇偶检查入栈函数
int stack_with_oddeven_check_push(struct stack_with_oddeven_check *p_stack, int val)
{
if(((p_stack->iseven) && ((val % 2) == 0)) || ((!p_stack->iseven) && ((val % 2) != 0)))
{
return stack_push(&p_stack->super, val); //检查通过：偶校验且为偶数，或奇校验且为奇数
}
return -1;
}
//变化检查入栈函数
int stack_with_change_check_push(struct stack_with_change_check *p_stack, int val)
{
if(p_stack->pre_value < val)
{
p_stack->pre_value = val;
return stack_push(&p_stack->super, val); //检查通过：本次入栈值大于上一次的值
}
return -1;
}
由此可见，这种实现方式存在一定的缺陷，不同检查方法对应的入栈函数不相同，对于用户来讲，使用不同的检查功能，就必须调用不同的入栈函数。即操作不同的栈使用不同的接口。但观察几个入栈函数，其入栈方法类似，示意代码如下：
int stack_XXX_push(struct stack_XXX *p_stack, int val)
{
if(检查通过) //不同栈的差异仅是检测条件不同
{
return stack_push(&p_stack->super, val);
}
return -1;
}
可使用多态思想，将“检查”函数的调用形式标准化编写一个通用的、与具体检查方式无关的入栈函数。
4.3.2 基于多态实现通用的“带检查功能的栈”
使用函数指针表示“检查功能”，指向不同的检查函数。可以定义一个包含函数指针的类：
struct stack_with_validate
{
struct stack super; /* 基类（超类）*/
int (*validate)(struct stack_with_validate *p_this, int val); /* 检查函数 */
};
和其它普通方法一样，类中抽象方法（函数指针）的第一个成员同样是指向该类对象的指针。此时，数据入栈前的检查工作交给 validate 指针所指向的函数实现。假定其指向的函数在检查数据时，返回 0 表示检查通过可入栈，其它值表示检查未通过。完整的带检查功能的栈实现范例如下：
带检查功能的栈 H 文件（stack_with_validate.h）
//微信公众号：嵌入式系统
#ifndef __STACK_WITH_VALIDATE_H
#define __STACK_WITH_VALIDATE_H
#include "stack.h" /* 包含基类头文件 */
struct stack_with_validate
{
struct stack super; /* 基类（超类）*/
int (*validate)(struct stack_with_validate *p_this, int val); /* 检查函数 */
};
int stack_with_validate_init(struct stack_with_validate *p_stack,
int *p_buf,
int size,
int (*validate)(struct stack_with_validate *, int));
/* 入栈 */
int stack_with_validate_push(struct stack_with_validate *p_stack, int val);
/* 出栈 */
int stack_with_validate_pop(struct stack_with_validate *p_stack, int *p_val);
#endif
带检查功能的栈 C 文件（stack_with_validate.c）
#include "stack_with_validate.h"
#include "stdio.h"
int stack_with_validate_init(struct stack_with_validate *p_stack,
int *p_buf,
int size,
int (*validate)(struct stack_with_validate *, int))
{
/* 初始化基类 */
stack_init(&p_stack->super, p_buf, size);
p_stack->validate = validate; //检查条件，上层说了算
return 0;
}
int stack_with_validate_push(struct stack_with_validate *p_stack, int val)
{
if( (p_stack->validate == NULL) || \
((p_stack->validate != NULL) && (p_stack->validate(p_stack, val) == 0)) )
{
return stack_push(&p_stack->super, val);
}
return -1;
}
int stack_with_validate_pop(struct stack_with_validate *p_stack, int *p_val)
{
return stack_pop(&p_stack->super, p_val);
}
带某种检查功能的栈，重点是实现其中的 validate 方法。基于带检查的栈，实现带范围检查的栈，程序详见如下：
带范围检查的栈 H 文件更新（stack_with_range_check.h）
#ifndef __STACK_WITH_RANGE_CHECK_H
#define __STACK_WITH_RANGE_CHECK_H
#include "stack_with_validate.h" /* 包含基类头文件 */
struct stack_with_range_check
{
struct stack_with_validate super; /* 基类（超类）*/
int min; /* 最小值 */
int max; /* 最大值 */
};
struct stack_with_validate * stack_with_range_check_init(struct stack_with_range_check *p_stack,
int *p_buf,
int size,
int min,
int max);
#endif
带范围检查的栈 C 文件更新（stack_with_range_check.c）
#include "stack_with_range_check.h"
static int _validate(struct stack_with_validate *p_this, int val)
{
struct stack_with_range_check *p_stack = (struct stack_with_range_check *)p_this;
if((val >= p_stack->min) && (val <= p_stack->max))
{
return 0; /* 检查通过 */
}
return -1;
}
struct stack_with_validate * stack_with_range_check_init(struct stack_with_range_check *p_stack,
int *p_buf,
int size,
int min,
int max)
{
/* 初始化基类 */
stack_with_validate_init(&p_stack->super, p_buf, size, _validate);
/* 初始化子类成员 */
p_stack->min = min;
p_stack->max = max;
return 0;
}
带范围检查的栈，主要目的就是实现“检查功能”对应的函数：_validate，并将其作为 validate 函数指针（抽象方法）的值。
在面向对象编程中，包含抽象方法的类通常称之为抽象类，抽象类不能直接实例化（因为其还有方法未实现），抽象类只能被继承，且由子类实现其中定义的抽象方法。在 UML 类图中，抽象类的类名和其中的抽象方法均使用斜体表示，普通栈、带检查功能的栈和带范围检查的栈，它们之间的关系详见图。
图片带范围检查的栈，其主要作用是实现其父类中定义的抽象方法，进而创建一个真正的“带检查功能”的栈对象（此时的抽象方法已实现），该对象即可提交给外部使用。带范围检查的栈并没有其他特殊的方法，因而在其初始化完成后，通过初始化函数的返回值向外界提供了一个“带检查功能”的栈对象，后续用户即可使用 stack_with_validate.h 文件中的push 和 pop 方法操作该对象。
带范围检查的栈使用范例如下：
//微信公众号：嵌入式系统
#include "stack_with_range_check.h"
#include "stdio.h"
int main()
{
int val;
int buf[20];
int i;
int test_data[5] = {2, 4, 5, 3, 10};
struct stack_with_range_check stack;
struct stack_with_validate *p_stack = stack_with_range_check_init(&stack, buf, 20, 1, 9);
for(i = 0; i < 5; i++)
{
if(stack_with_validate_push(p_stack, test_data) != 0)
{
printf("The data %d push failed!\n", test_data);
}
}
printf("The pop data: ");
while(1) /* 弹出所有数据 */
{
if(stack_with_validate_pop(p_stack, &val) == 0)
{
printf("%d ", val);
}
else
{
break;
}
}
return 0;
}
无论何种检查方式，其主要目的都是创建“带检查功能”的栈对象（完成抽象方法的实现）。创建完毕后，对于用户操作方法都是完全相同的 stack_with_validate_push 和 stack_with_validate_pop ，与检查方式无关。为避免赘述，这里不再实现另外两种检查功能的栈，仅展示出他们的类图。
图片
在这里插入图片描述
在一些大型项目中，初始化过程往往和应用程序是分离的（即stack_with_range_check_init 内部封闭不可见），也就是说，对于用户来讲，其仅会获取到一个 struct stack_with_validate *类型的指针，其指向某个“带检查功能的栈”，实际检查什么，用户可能并不关心，应用程序基于该类型指针编程，将使应用程序与具体检查功能无关，即使后续更换为其它检查方式，应用程序也不需要做任何改动。
4.4 抽象分离
如果是硬件资源有限，功能单一或大概率无需扩展的嵌入式软件开发，进行到这基本可以满足需求；如果是复杂应用，且硬件资源充足还可继续优化。
4.4.1 检查功能抽象
前面的实现中，将检查功能视为栈的一种扩展（使用继承），检查逻辑直接在相应的扩展类中实现。这就使检查功能与栈绑定在一起，检查功能的实现无法独立复用。如果要实现一个“带检查功能的队列”，同样是上述的 3 种检查逻辑，期望能够复用检查逻辑相关的代码。显然，由于当前检查逻辑的实现与栈捆绑在一起，无法单独提取出来复用。
检查功能与栈的绑定，主要在“带检查功能的栈”中体现，该类的定义如下：
struct stack_with_validate
{
struct stack super; /* 基类（超类）*/
int (*validate)(struct stack_with_validate *p_this, int val); /* 检查函数 */
};
super 用于继承自普通栈，validate 表示一个抽象的数据检查方法，不同的检查方法，通过该指针所指向的函数体现。由于检查方法validate是该类的一个方法，检查逻辑与栈绑定。为了解绑分离，可以将检查逻辑放到独立的与栈无关的类中，额外定义一个抽象的校验器类，专门表示数据检查逻辑：
struct validator
{
int (*validate)(struct validator *p_this, int val); /* 检查函数 */
};
虽然该类仅包含 validate 函数指针，但需注意该函数指针类型的变化，其第一个参数为指向校验器的指针，而在“带检查功能的栈”中，其第一个参数是指向“带检查功能的栈”的指针。通过该类的定义，明确的将检查逻辑封装到独立的校验器类中，与栈再无任何关联。不同的检查逻辑，可以在其子类中实现，校验器类和各个子类之间的关系如下：图片由于校验器类仅包含一个函数指针，因此其只需要在头文件中定义出类即可，程序如下：
校验器类定义（validator.h）
#ifndef __VALIDATOR_H
#define __VALIDATOR_H
struct validator
{
int (*validate)(struct validator *p_this, int val);
};
static inline int validator_init(struct validator *p_validator,
int (*validate)(struct validator *, int))
{
p_validator->validate = validate;
return 0;
}
static inline int validator_validate(struct validator *p_validator, int val) /* 校验函数 */
{
if(p_validator->validate == NULL) /* 校验函数为空，视为无需校验 */
{
return 0;
}
return p_validator->validate(p_validator, val);
}
#endif
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