用 C 语言实现面向对象编程（OOP）教程

——以“动物说话系统”为例

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目录

1. 面向对象简介
2. 项目结构总览
3. 四大特性详解
   • 封装（Encapsulation）
   • 继承（Inheritance）
   • 多态（Polymorphism）
   • 抽象（Abstraction）
4. 编译与运行
5. 运行结果与解释
6. 扩展练习
7. 总结

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面向对象简介

C 语言本身没有 class、extends 或 virtual 等关键字，但可以通过结构体、函数指针和统一接口表达面向对象的设计思想：

• 封装：把数据和操作数据的函数组织在一起，通过接口访问对象；
• 继承：子类复用父类的属性和接口，并按需扩展或重写行为；
• 多态：使用相同接口操作不同对象，由对象决定实际执行的方法；
• 抽象：提取共同能力，让调用者依赖统一接口而不是具体类型。

本项目使用 Animal、Cat 和 Dog 演示这四个特性。重点不是把 C 语言写成 C++，而是理解面向接口、复用代码和隔离变化的方法。

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项目结构总览

OOP-By-Viys/
├─ CMakeLists.txt
└─ project
   ├─ animal
   │  ├─ CMakeLists.txt
   │  ├─ animal.c        // Animal、Cat、Dog 的实现
   │  └─ animal.h        // 属性、接口和构造/析构函数声明
   └─ app
      └─ main.c          // 创建对象并演示四大特性

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四大特性详解

封装（Encapsulation）

把对象的数据与操作方法组织在一起，外部代码通过接口访问数据。

ANIMAL_CLASS 同时包含接口表 api 和属性 attr：

typedef struct {
    ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS api;
    Animal_Attr attr;
} ANIMAL_CLASS;

名称由 animal_get_name() 统一读取：

static int animal_get_name(void* t, char* name) {
    ANIMAL_CLASS* this = (ANIMAL_CLASS*)t;
    memcpy(name, this->attr.name, strlen(this->attr.name) + 1);
    return 0;
}

在 main.c 中，不直接访问 attr.name，而是通过接口获取：

char name[10] = {0};

animal_cat->get_name(animal_cat, name);
printf("animal name is %s\n", name);

这个例子体现的是“接口层面的封装”。由于教学需要，结构体定义仍然放在头文件中；实际项目若需要更严格的数据隐藏，可以进一步使用不透明结构体。

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继承（Inheritance）

Cat 和 Dog 复用 Animal 已有的接口与属性，只重写自己不同的行为。

派生类与父类保持兼容布局：第一个成员都是 ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS api，属性都包含 name 和 sound。构造 Cat 时，先复制 Animal 的接口与属性：

memcpy(&this->api, t, sizeof(ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS));
memcpy(&this->attr, &parent->attr, sizeof(Cat_Attr));

然后只重写 Cat 的 speak：

this->api.speak = cat_speak;

Dog 的构造过程相同：

DOG_CLASS* DOG_CLASS_CTOR(ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS* t);

因此，Cat 和 Dog 可以继续使用从 Animal 复用的 init、get_name 接口与属性，同时拥有自己的 speak 实现。

需要注意：C 语言没有原生继承。这里依靠结构体布局和接口复制模拟“继承与方法重写”，这些布局约定必须由开发者共同维护。

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多态（Polymorphism）

同一个调用入口，根据传入对象执行不同实现。

animal_sound() 也按照类方法的格式定义在 ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS 中，并由 ANIMAL_CLASS_CTOR() 完成绑定：

this->api.sound = animal_sound;

它只依赖当前对象的统一接口：

static int animal_sound(void* t) {
    ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS* this = (ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS*)t;
    return this->speak(this);
}

Cat 和 Dog 复制 Animal 接口时会继承 sound，同时分别重写 speak。调用代码保持相同的类方法格式：

cat->sound(cat);
dog->sound(dog);

但运行结果不同：

animal cat say: Meow!
animal dog say: Woof!

原因是公共的 sound 方法会继续调用当前对象的 speak，而 Cat 和 Dog 的 speak 函数指针分别指向 cat_speak 和 dog_speak。这就是通过函数指针实现的运行时多态。

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抽象（Abstraction）

提取不同动物都具备的能力，为调用者提供统一的行为约定。

ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS 定义了所有动物对象可以提供的公共接口：

typedef struct {
    int (*init)(void* t, Animal_Attr attr);
    int (*get_name)(void* t, char* name);
    int (*speak)(void* t);
    int (*sound)(void* t);
} ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS;

调用者只需要持有 ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS*：

ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS* animal_cat = NULL;
ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS* animal_dog = NULL;

这样，main.c 关注的是“初始化动物、读取名称、让动物发声”，不需要了解每个函数内部如何实现。接口描述“对象能做什么”，具体函数负责“对象怎么做”。

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编译与运行

本项目使用 CMake 构建，不依赖平台专用 API，可在 Windows、Linux 和 macOS 上编译。需要安装：

• CMake 3.15 或更高版本；
• 支持 C99 的 C 编译器，例如 GCC、Clang、Apple Clang、MinGW 或 MSVC。

编译

使用 Ninja 只需要两条命令：

cmake -S . -B build -G Ninja
cmake --build build

如果使用 MinGW，把第一条命令改为：

cmake -S . -B build -G "MinGW Makefiles"

同一个 build 目录不能混用不同生成器。如果之前使用过 Visual Studio，需要先删除一次 build 目录，再重新执行上面的配置命令。

运行

Windows：

.\build\oopc.exe

Linux / macOS：

./build/oopc

代码统一使用标准 C99 接口，并使用 \n 输出换行。Windows C 运行库会将其转换为 CRLF，Linux 和 macOS 则保持 LF，无需在源码中进行平台判断。

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运行结果与解释

>
animal name is cat
animal name is dog
animal cat say: Meow!
animal dog say: Woof!
animal cat say: Meow!
animal dog say: Woof!
<

• animal name is ...：通过 get_name() 演示封装；
• 第一组 say：Cat 和 Dog 复用 Animal 接口并重写 speak，演示继承；
• 第二组 say：通过继承的 sound() 调用各自的 speak()，演示多态；
• 整个调用过程只依赖 ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS，演示抽象。

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扩展练习

可以按照 Cat 和 Dog 的原有格式增加一个 Bird：

1. 在 animal.h 中定义 Bird_Attr 和 BIRD_CLASS；
2. 在 animal.c 中实现 bird_speak()；
3. 在 BIRD_CLASS_CTOR() 中复制 Animal 接口并重写 speak；
4. 在 main.c 中通过 bird->sound(bird) 验证多态。

核心代码可以保持与现有构造函数一致：

BIRD_CLASS* BIRD_CLASS_CTOR(ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS* t) {
    BIRD_CLASS* this = (BIRD_CLASS*)malloc(sizeof(BIRD_CLASS));
    ANIMAL_CLASS* parent = (ANIMAL_CLASS*)t;

    memcpy(&this->api, t, sizeof(ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS));
    memcpy(&this->attr, &parent->attr, sizeof(Bird_Attr));
    this->api.speak = bird_speak;

    return this;
}

练习目标是：增加 Bird 后，继承得到的 sound 方法不需要增加 if/else 类型判断。

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总结

特性	在代码中的体现
封装	通过 get_name() 访问名称，由接口管理对象数据
继承	Cat/Dog 构造函数复制 Animal 接口，并重写 speak
多态	sound() 调用对象重写后的 speak()，实际行为由函数指针决定
抽象	ANIMAL_CLASS_IMPLEMENTS 定义所有动物的公共能力

本项目展示的是一种轻量级 C 面向对象写法。它适合需要统一接口和可替换实现的场景；如果业务流程简单，普通结构体和函数通常更加直接。