我和一个同事正在尝试实现一个简单的多态类层次结构。我们正在嵌入式系统上工作，并且仅限于使用C编译器。我们有一个基本的设计思想，可以在不发出警告的情况下进行编译(-Wall -Wextra -fstrict-aliasing -pedantic)，并且可以在gcc 4.8.1下正常运行。
但是，我们对混叠问题有些担心，因为当出现问题时我们还不完全了解。
为了演示，我们编写了一个带有“接口(interface)” IHello的玩具示例，以及两个实现此接口(interface)“Cat”和“Dog”的类。
#include <stdio.h>
/* -------- IHello -------- */
struct IHello_;
typedef struct IHello_
{
void (*SayHello)(const struct IHello_* self, const char* greeting);
} IHello;
/* Helper function */
void SayHello(const IHello* self, const char* greeting)
{
self->SayHello(self, greeting);
}
/* -------- Cat -------- */
typedef struct Cat_
{
IHello hello;
const char* name;
int age;
} Cat;
void Cat_SayHello(const IHello* self, const char* greeting)
{
const Cat* cat = (const Cat*) self;
printf("%s I am a cat! My name is %s and I am %d years old.\n",
greeting,
cat->name,
cat->age);
}
Cat Cat_Create(const char* name, const int age)
{
static const IHello catHello = { Cat_SayHello };
Cat cat;
cat.hello = catHello;
cat.name = name;
cat.age = age;
return cat;
}
/* -------- Dog -------- */
typedef struct Dog_
{
IHello hello;
double weight;
int age;
const char* sound;
} Dog;
void Dog_SayHello(const IHello* self, const char* greeting)
{
const Dog* dog = (const Dog*) self;
printf("%s I am a dog! I can make this sound: %s I am %d years old and weigh %.1f kg.\n",
greeting,
dog->sound,
dog->age,
dog->weight);
}
Dog Dog_Create(const char* sound, const int age, const double weight)
{
static const IHello dogHello = { Dog_SayHello };
Dog dog;
dog.hello = dogHello;
dog.sound = sound;
dog.age = age;
dog.weight = weight;
return dog;
}
/* Client code */
int main(void)
{
const Cat cat = Cat_Create("Mittens", 5);
const Dog dog = Dog_Create("Woof!", 4, 10.3);
SayHello((IHello*) &cat, "Good day!");
SayHello((IHello*) &dog, "Hi there!");
return 0;
}
输出:
再会!我是一只猫!我叫Mittens，今年5岁。
你好呀!我是一只狗!我可以发出这样的声音:哇!我今年4岁，体重10.3公斤。
我们非常确定，从猫和狗到IHello的“转换”是安全的，因为IHello是这两种结构的第一个成员。
我们真正关心的是在SayHello的相应接口(interface)实现中，分别从IHello到Cat和Dog的“贬低”。这会引起任何严格的混叠问题吗？我们的代码是否可以保证按C标准运行，还是很幸运能与gcc一起使用？
更新
我们最终决定使用的解决方案必须是标准C，并且不能依赖于gcc扩展名。该代码必须能够使用各种(专有)编译器进行编译并在不同的处理器上运行。
此“模式”的意图是，客户端代码应接收指向IHello的指针，因此只能在接口(interface)中调用函数。但是，根据收到的IHello的实现，这些调用的行为必须有所不同。简而言之，我们希望行为与接口(interface)和实现此接口(interface)的类的OOP概念相同。
我们知道以下事实:仅当将IHello接口(interface)结构放置为实现该接口(interface)的结构的第一个成员时，该代码才有效。这是我们愿意接受的限制。
根据:Does accessing the first field of a struct via a C cast violate strict aliasing?
根据上面的第五个项目符号以及结构顶部不包含填充的事实，我们可以肯定地确定，``向上转换''一个实现了指向该接口(interface)的接口(interface)的接口(interface)的派生结构是安全的，即
Cat cat;
const IHello* catPtr = (const IHello*) &cat; /* Upcast */
/* Inside client code */
void Greet(const IHello* interface, const char* greeting)
{
/* Users do not need to know whether interface points to a Cat or Dog. */
interface->SayHello(interface, greeting); /* Dereferencing should be safe */
}
最大的问题是在实现接口(interface)功能时使用的“向下转换”是否安全。
如上所示:
void Cat_SayHello(const IHello* hello, const char* greeting)
{
/* Is the following statement safe if we know for
* a fact that hello points to a Cat?
* Does it violate strict aliasing rules? */
const Cat* cat = (const Cat*) hello;
/* Access internal state in Cat */
}
另请注意，将实现功能的签名更改为
Cat_SayHello(const Cat* cat, const char* greeting);
Dog_SayHello(const Dog* dog, const char* greeting);
并注释掉“向下转换”也可以编译并正常运行。但是，这会生成针对功能签名不匹配的编译器警告。
最佳答案
我从事c语言的对象已经很多年了，完全按照您在此处所做的构图进行。我建议您不要做您正在描述的简单转换，而是为了证明我需要一个例子。例如，用于分层实现的计时器回调机制:
typedef struct MSecTimer_struct MSecTimer;
struct MSecTimer_struct {
DoubleLinkedListNode m_list;
void (*m_expiry)(MSecTimer *);
unsigned int m_ticks;
unsigned int m_needsClear: 1;
unsigned int m_user: 7;
};
当这些计时器之一到期时，管理系统将调用m_expiry函数并将指针传递给该对象:
timer->m_expiry(timer);
然后拿一个做一些令人惊奇的基础对象:
typedef struct BaseDoer_struct BaseDoer;
struct BaseDoer_struct
{
DebugID m_id;
void (*v_beAmazing)(BaseDoer *); //object's "virtual" function
};
//BaseDoer's version of BaseDoer's 'virtual' beAmazing function
void BaseDoer_v_BaseDoer_beAmazing( BaseDoer *self )
{
printf("Basically, I'm amazing\n");
}
我的命名系统在这里有一个目的，但这并不是真正的重点。我们可以看到可能需要进行多种面向对象的函数调用:
typedef struct DelayDoer_struct DelayDoer;
struct DelayDoer_struct {
BaseDoer m_baseDoer;
MSecTimer m_delayTimer;
};
//DelayDoer's version of BaseDoer's 'virtual' beAmazing function
void DelayDoer_v_BaseDoer_beAmazing( BaseDoer *base_self )
{
//instead of just casting, have the compiler do something smarter
DelayDoer *self = GetObjectFromMember(DelayDoer,m_baseDoer,base_self);
MSecTimer_start(m_delayTimer,1000); //make them wait for it
}
//DelayDoer::DelayTimer's version of MSecTimer's 'virtual' expiry function
void DelayDoer_DelayTimer_v_MSecTimer_expiry( MSecTimer *timer_self )
{
DelayDoer *self = GetObjectFromMember(DelayDoer,m_delayTimer,timer_self);
BaseDoer_v_BaseDoer_beAmazing(&self->m_baseDoer);
}
自1990年左右以来，我一直在为GetObjectFromMember使用相同的宏，并且沿着这行代码的某个地方，Linux内核创建了相同的宏，并将其称为container_of(尽管参数的顺序不同):
#define GetObjectFromMember(ObjectType,MemberName,MemberPointer) \
((ObjectType *)(((char *)MemberPointer) - ((char *)(&(((ObjectType *)0)->MemberName)))))
它依赖于(技术上)未定义的行为(取消引用NULL对象)，但是可移植到我测试过的每个旧(新)c编译器中。较新的版本需要offsetof宏，该宏现在是标准的一部分(显然从C89开始):
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);
(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
当然，我更喜欢我的名字，但随便什么。使用此方法使您的代码不再依赖于将基础对象放在第一位，并且使第二种用例成为可能，在实践中我发现这非常有用。所有混叠编译器问题都在宏中进行管理(通过char *广播，我想，但我并不是真正的标准律师)。