用 C 語言實現面向對象程式設計 (一)：OOSM 宏包核心架構

設計目標

在純 C 語言中實現面向對象核心特性：封裝、繼承、多型、建構子/解構子、介面。參考 LW_OOPC 簡化而成的 OOSM (Object-Oriented Support Macros) 宏包，僅 30 行核心巨集。

OOSM 核心巨集定義 (oosm.h)

#ifndef __OOSM_H__
#define __OOSM_H__

#include 

// 類別宣告：定義結構體 + 建構/解構函數原型
#define class(type) \
    typedef struct type type; \
    type* type##_new(void); \
    void type##_constructor(type* t); \
    int type##_destructor(type* t); \
    void type##_delete(type* t); \
    struct type

// 介面宣告：純虛函數表
#define interface(type) \
    typedef struct type type; \
    struct type

// 繼承：嵌入父類別結構體
#define extends(type) type type

// 實作介面：同繼承語法
#define implements(type) type type

// 建構子實作：分配記憶體 + 呼叫 constructor
#define constructor(type) \
    type* type##_new(void) { \
        type* this = (type*)malloc(sizeof(type)); \
        if (this == NULL) return NULL; \
        type##_constructor(this); \
        return this; \
    } \
    void type##_constructor(type* this)

// 解構子實作：呼叫 destructor + 釋放記憶體
#define destructor(type) \
    void type##_delete(type* this) { \
        if (type##_destructor(this)) free(this); \
    } \
    int type##_destructor(type* this)

// 成員函數指標綁定：this->tf = sf
#define mapping(tf, sf) this->tf = sf

#endif

巨集展開範例：定義一個 Circle 類別

// 使用巨集定義
class(ccirc) {
    extends(cbase);           // 繼承基類
    double radius;            // 屬性
    double (*diam)(ccirc*);   // 方法指標
    imes iam;                 // 介面實作
};

// 對應展開為：
typedef struct ccirc ccirc;
ccirc* ccirc_new(void);
void ccirc_constructor(ccirc* t);
int ccirc_destructor(ccirc* t);
void ccirc_delete(ccirc* t);
struct ccirc {
    extends(cbase);  // struct cbase cbase;
    double radius;
    double (*diam)(ccirc*);
    imes iam;
};

使用範例：建立物件並呼叫方法

#include 
#include "imeas.h"
#include "ccirc.h"
#include "crect.h"
#include "csqua.h"

int main() {
    ccirc* c = ccirc_new();   // 建構
    crect* r = crect_new();
    csqua* s = csqua_new();
    
    c->radius = 9.23;
    r->width = 23.09; r->height = 78.54;
    s->crect.width = 200.00;
    
    // 呼叫方法：需傳遞 this 指標
    printf("Circle: (%lf, %lf, %lf)\n", 
           c->diam(c), c->iam.peri(c), c->iam.area(c));
    printf("Rectangle: (%lf, %lf)\n", 
           r->iam.peri(r), r->iam.area(r));
    printf("Square: (%lf, %lf)\n", 
           s->crect.iam.peri(s), s->crect.iam.area(s));
    
    ccirc_delete(c);  // 解構
    crect_delete(r);
    csqua_delete(s);
    return 0;
}

核心機制解析

1. 封裝：結構體 + 函數指標

• 屬性：結構體成員變數
• 方法：結構體內的函數指標成員
• 呼叫語法：`obj->method(obj, ...)` 傳遞 this

2. 繼承：結構體嵌入

struct child {
    extends(parent);  // 等價於 struct parent parent;
    // 子類別成員...
};

• 記憶體佈局：父類別成員在前，子類別成員在後
• 向上轉型：`(parent*)child_ptr` 直接可用
• 單繼承支援，多重繼承需手動組合

3. 多型：函數指標覆寫

// 父類別建構子
void parent_constructor(parent* this) {
    this->method = parent_method;
}

// 子類別建構子
void child_constructor(child* this) {
    parent_constructor((parent*)this);  // 呼叫父建構子
    this->method = child_method;        // 覆寫方法指標
}

4. 生命週期管理

• `type_new()`：`malloc` + `constructor`
• `type_delete()`：`destructor` + `free`（回傳 1 才 free）
• 支援 RAII 風格：建立即初始化，刪除即清理

OOSM 的優缺點

適用場景

• 嵌入式系統、作業系統核心（無 C++ 編譯器）
• 需要物件導向架構但受限於 C 語言環境
• 教學示範 OO 底層實現機制
• 輕量級插件系統、驅動程式框架

OOSM 展示了面向對象本質是「設計思想」而非「語言特性」。理解其運作原理，能深化對 C++ 物件模型（vtable、this 指標、建構/解構順序）的掌握。