详解C语言面向对象编程中的封装
作者：Silent Knight
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;/*控制器输入*/
int ouput;/*控制器输出*/
int P_parameter,I_parameter,D_parameter;/*控制调试参数*/
int Sum_error;/*总偏差，位置式PID积分相关的参数*/
int Last_error;/*上次偏差，位置式PID积分相关的参数*/
}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;/*控制器输入*/
int ouput;/*控制器输出*/
int P_parameter,I_parameter,D_parameter;/*控制调试参数*/
int Sum_error;/*总偏差，位置式PID积分相关的参数*/
int Last_error;/*上次偏差，位置式PID积分相关的参数*/
}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;/*控制器输入*/
int ouput;/*控制器输出*/
int P_parameter,I_parameter,D_parameter;/*控制调试参数*/
int Sum_error;/*总偏差，位置式PID积分相关的参数*/
int Last_error;/*上次偏差，位置式PID积分相关的参数*/
//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。
本篇文章就到这里了，希望能够给你带来帮助，也希望您能够多多关注脚本之家的更多内容!