趙 輝，屈 雷

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

C語(yǔ)言是在國(guó)內(nèi)外廣泛使用的一種高級(jí)編程語(yǔ)言[1]。其功能豐富、使用靈活方便、目標(biāo)程序效率高、可移植性好，既具有高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，又具有低級(jí)語(yǔ)言的諸多特性。因此，C語(yǔ)言特別適合用于編寫(xiě)系統(tǒng)軟件[2]，其中著名的Linux/Unix操作系統(tǒng)就是用C語(yǔ)言編寫(xiě)而成的[3]。

一般來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言是以面向過(guò)程的方式進(jìn)行編程的，用來(lái)編寫(xiě)功能復(fù)雜的軟件是比較困難的[4]。而Linux/Unix操作系統(tǒng)卻是使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想相結(jié)合[5]，提升了C語(yǔ)言的簡(jiǎn)潔性、易讀性和重復(fù)使用性，進(jìn)而提高了系統(tǒng)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力[6]。這一例子說(shuō)明，C語(yǔ)言其實(shí)也可以像C++一樣以面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行編程。

本文將通過(guò)電子書(shū)軟件來(lái)具體分析，如何使用面向?qū)ο缶幊讨械囊恍C(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)。

1 面向?qū)ο笾懈鞣N機(jī)制

當(dāng)人們提到面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，首先想到的會(huì)是C++。在1985年以前，C++的名字是“C with Class”，從名字上可以看出C++最突出的特征就是類(lèi)（Class）；從另一種角度可以看出C++是C語(yǔ)言的有效擴(kuò)充[7]。所以使用ANSI-C進(jìn)行面向?qū)ο蟮木幊蹋罨A(chǔ)的是類(lèi)機(jī)制，而且還需要其他機(jī)制的支持。

1.1 類(lèi)機(jī)制

“Class”是很多面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言里定義類(lèi)的關(guān)鍵字，它來(lái)源于最早的編程語(yǔ)言——smalltalk。類(lèi)是一群具有共同屬性的對(duì)象，說(shuō)明了這群對(duì)象所具有的特征和行為。在程序中，數(shù)據(jù)表示對(duì)象的特征，函數(shù)表示對(duì)象的行為[4]。

類(lèi)可以理解為用戶定義的一種新的數(shù)據(jù)類(lèi)型，就像是“short”這樣的內(nèi)置類(lèi)型一樣。內(nèi)置類(lèi)型已經(jīng)有了一套完善的操作（如算數(shù)運(yùn)算等），類(lèi)機(jī)制也必須規(guī)定他所定義的類(lèi)也能夠進(jìn)行操作，即對(duì)象的行為。在ANSI-C中并沒(méi)有關(guān)鍵字“class”，但是可以使用結(jié)構(gòu)體（struct）來(lái)定義一種新的數(shù)據(jù)類(lèi)型，從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)。在結(jié)構(gòu)體定義里，使用變量來(lái)描述對(duì)象的特征，并使用函數(shù)指針來(lái)描述對(duì)象的行為。

1.2 組合機(jī)制

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是提供軟件元素的重用。它提供了幾種機(jī)制支持利用已有類(lèi)來(lái)定義新類(lèi)，新類(lèi)可以獲得已有類(lèi)的特征和行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)類(lèi)的重用。本文實(shí)現(xiàn)了一種比較簡(jiǎn)單的重用機(jī)制即組合。

組合（composition）表示的是兩個(gè)對(duì)象之間獲得一種包含關(guān)系，即一個(gè)對(duì)象包含或擁有另一個(gè)對(duì)象[8]。擁有其他對(duì)象的對(duì)象被稱(chēng)為組合體，它所擁有的對(duì)象被稱(chēng)為組件。這種關(guān)系在現(xiàn)實(shí)生活中是很普遍的：計(jì)算機(jī)包含處理器，書(shū)本包含文字等。組合使用ANSI-C實(shí)現(xiàn)是很簡(jiǎn)單的。

1.3 封裝機(jī)制

封裝（encapsulation）是面向?qū)ο蟮牧硪粋€(gè)重要概念。就是把特征和行為包圍起來(lái)，對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)只能通過(guò)特定的接口。事實(shí)上，封裝就是用戶對(duì)信息的隱藏，保證了模塊具有較好的獨(dú)立性，使得程序維護(hù)修改較為容易。對(duì)應(yīng)用程序的修改僅限于類(lèi)的內(nèi)部，因而可以將應(yīng)用程序修改帶來(lái)的影響減少到最低限度[9]。

非 OOP（Object Oriented Programming）語(yǔ)言沒(méi)有完備的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)封裝[6]。使用ANSI-C來(lái)實(shí)現(xiàn)封裝稍微有些復(fù)雜。本文使用單向鏈表實(shí)現(xiàn)了對(duì)類(lèi)中所有實(shí)例化的對(duì)象進(jìn)行封裝。

1.4 多態(tài)機(jī)制

多態(tài)（polymorphism）源于希臘語(yǔ)，意思的“多種形狀”。在OOP語(yǔ)言中多態(tài)是指相關(guān)對(duì)象具有不同的成員函數(shù)（函數(shù)原型相同），并且允許對(duì)象與適當(dāng)?shù)某蓡T函數(shù)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)綁定[6]。多態(tài)保證了軟件設(shè)計(jì)的重復(fù)使用。一般通過(guò)虛方法實(shí)現(xiàn)多態(tài)[10]。

一般情況下，我們使用ANSI-C編程，函數(shù)的原型是對(duì)應(yīng)唯一的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。而多態(tài)要求一個(gè)函數(shù)原型可以對(duì)應(yīng)多個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，這樣可以便于管理功能相似的模塊。如果前面提到的類(lèi)機(jī)制、重用機(jī)制和封裝機(jī)制都已經(jīng)使用ANSI-C實(shí)現(xiàn)，再要實(shí)現(xiàn)多態(tài)機(jī)制就是非常簡(jiǎn)單的事情，使用函數(shù)指針抽象出統(tǒng)一的函數(shù)接口。

2 應(yīng)用——電子書(shū)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件使用了ANSI-C編寫(xiě)，采用上文所提到的面向?qū)ο蟮膶?shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行模塊化分層設(shè)計(jì)。

2.1 電子書(shū)軟件需求

（1）支持多種字體編碼方式。文本文件一般有四種編碼方式：ANSI、Unicode、Unicode big endian、UTF-8。程序需要根據(jù)文本文件的編碼方式，自動(dòng)選擇解碼函數(shù)。

（2）支持多種字體顯示方式。常用的字體顯示方式有GBK點(diǎn)陣和freetype矢量字體。程序需要根據(jù)字體設(shè)置，判斷使用哪種方式顯示文字。

（3）支持多種輸入方式。常見(jiàn)的輸入方式有鍵盤(pán)和觸摸屏。程序要根據(jù)鍵盤(pán)的輸入和觸摸屏的滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)。

（4）支持多種設(shè)備顯示。程序在PC機(jī)上運(yùn)行是，使用PC機(jī)的顯示器（CRT）。程序在ARM上運(yùn)行時(shí)，使用ARM上的LCD顯示器。

2.2 軟件框架

根據(jù)電子書(shū)軟件需求，將整個(gè)軟件分3層。軟件的層次關(guān)系及各功能模塊構(gòu)成如圖1所示。面向?qū)ο蟮膶?shí)現(xiàn)方法主要體現(xiàn)為4個(gè)基本的底層功能模塊，每個(gè)模塊分別有幾種不同的實(shí)現(xiàn)方式。并由一個(gè)管理文件提供接口函數(shù)對(duì)不同的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行統(tǒng)一的操作。中間層為電子書(shū)頁(yè)面管理模塊，負(fù)責(zé)調(diào)用底層實(shí)現(xiàn)的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)了字體顯示和頁(yè)面操作以及相關(guān)的初始化。頂層為電子書(shū)管理模塊，負(fù)責(zé)調(diào)用中間層實(shí)現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)管理成個(gè)程序。

2.3 軟件效果展示

（1）使用arm-linux-gcc工具鏈在Ubunut上編譯，在飛凌的ok6410開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行，結(jié)果如圖2所示。

（2）首先在Ubunut上移植svgalib庫(kù)，其次使用gcc在Ubunut上編譯，最后在Ubunut上的tty控制臺(tái)運(yùn)行程序。結(jié)果如圖3所示。

3 面向?qū)ο髾C(jī)制分析

電子書(shū)程序的代碼量比較大，無(wú)法全部分析。本文將針對(duì)設(shè)備顯示模塊進(jìn)行詳細(xì)分析，具體如下。

圖1 在ARM的LCD上顯示的結(jié)果

3.1 類(lèi)和組合機(jī)制分析

圖2 在ARM的LCD上顯示的結(jié)果

圖3 在PC機(jī)的CRT上顯示的結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，本程序可以在PC機(jī)的CRT上顯示，也可以在ARM的LCD上顯示。所以我們需要操作的對(duì)象就是CRT和LCD。我們能夠抽象出他們的共同特征和行為，得到一個(gè)具體類(lèi)，使用結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)。具體代碼如下，這部分定義在disp_manager.h頭文件中：

其中T_Disp結(jié)構(gòu)體是顯示器固有屬性的抽象，也是T_DispOpr類(lèi)的一部分，這樣就可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)ANSI-C中的類(lèi)和組合機(jī)制。

3.2 類(lèi)的實(shí)例化分析

根據(jù)上文產(chǎn)生的具體類(lèi)，實(shí)例化為CRT和LCD對(duì)象，分別實(shí)現(xiàn)在crt.c和lcd.c文件中。一個(gè)C文件實(shí)現(xiàn)具體類(lèi)的一個(gè)實(shí)例化，這樣的模塊化設(shè)計(jì)，使得程序進(jìn)行添加和刪除模塊簡(jiǎn)單方便，更容易維護(hù)。由于對(duì)具體類(lèi)的實(shí)例化是非常相似的，本文只對(duì)LCD對(duì)象的實(shí)例化進(jìn)行具體分析，代碼如下：

上面的代碼給出了3個(gè)函數(shù)聲明，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程略。代碼中使用了“static”關(guān)鍵字，說(shuō)明定義的是靜態(tài)函數(shù)和靜態(tài)變量。這些函數(shù)和變量只能在本文件中被調(diào)用，這也是實(shí)現(xiàn)封裝的基礎(chǔ)。那么上層的函數(shù)怎么調(diào)用這些靜態(tài)函數(shù)和靜態(tài)變量？

3.3 封裝機(jī)制分析

在lcd.c文件中需要有一個(gè)入口函數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)其他文件對(duì)本文件中靜態(tài)函數(shù)和靜態(tài)變量的調(diào)用。代碼如下：

其中RegisterDispOpr()函數(shù)將g_tLCDOpr結(jié)構(gòu)體的地址注冊(cè)到單向鏈表中。上層函數(shù)就是通過(guò)鏈表找到g_tLCDOpr結(jié)構(gòu)體的入口地址，調(diào)用相關(guān)的函數(shù)及變量。實(shí)現(xiàn)了將具體類(lèi)例化的對(duì)象封裝到鏈表中。這個(gè)函數(shù)是在disp_manager.c文件中實(shí)現(xiàn)，而在這個(gè)文件中還需要實(shí)現(xiàn)一些操作鏈表的通用函數(shù)，方便上層函數(shù)調(diào)用。

3.4 多態(tài)機(jī)制分析

在lcd.c文件中

/*LCD設(shè)備初始化函數(shù)*/

.DeviceInit =LCDDeviceInit,

在crt.c文件中

/*CRT設(shè)備初始化函數(shù)*/

.DeviceInit =CRTDeviceInit,

程序在調(diào)用這個(gè)兩個(gè)函數(shù)時(shí)，使用的是同一個(gè)接口 g_ptDispOpr-＞DeviceInit()，這就是多態(tài)的實(shí)現(xiàn)。程序先在鏈表中根據(jù)g_ptDispOpr-＞name查找，返回相應(yīng)name的結(jié)構(gòu)體的入口地址，進(jìn)而就確定了g_ptDispOpr-＞DeviceInit()接口對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

4 結(jié)論

如今嵌入式軟件應(yīng)用愈來(lái)愈廣，軟件的質(zhì)量決定了數(shù)碼產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。本文的實(shí)現(xiàn)的這些機(jī)制對(duì)于嵌入式軟件編程是大有裨益。但是，對(duì)于大型的軟件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，本文實(shí)現(xiàn)的這些機(jī)制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的?？赡苓€需要超類(lèi)、繼承、內(nèi)存泄漏檢測(cè)等機(jī)制的支持。

[1]黃俊爽，郭凌云，李燕杰，等.淺析C語(yǔ)言中常見(jiàn)錯(cuò)誤[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2010（12）：60．

[2]譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2005．

[3]丁慧.用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笱芯縖J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2010，8(12)：61-63．

[4]曹燁.淺談C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程的實(shí)現(xiàn)[J].科技信息：科學(xué)教研，2008(17)：1001-9960．

[5]高煥堂.UML+OOPC嵌入式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008．

[6]陳飛，陳啟安.面向?qū)ο蟮那度胧较到y(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005，5(9)：15-18．

[7]LINDEN P V D，徐波.C專(zhuān)家編程[M].北京：人民郵電出版社，2002．

[8]LASZLO M J，楊秀梅，何玉潔，等.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)——圖形應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

[9]鄧正宏，薛靜，鄭玉山.面向?qū)ο蠹夹g(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004．

[10]丁智，王睿，高艷萍，等.標(biāo)準(zhǔn)C實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο缶幊蘙J].江西科學(xué)，2009，27（5）：733-736．