作者 | 编程指北  责编 | 张文

头图 | CSDN 下载自视觉中国

来源 | 编程指北（ID：cs_dev）

别误会，今天要写的不是我对象，毕竟我还没有......

这篇文章主要是聊聊我对于编程语言中「对象」的一些简单认识，

面向过程 VS 面向对象

为什么 C 叫面向过程（Procedure Oriented）的语言，而 Java、C++ 之类叫面向对象（Object Oriented）呢？

之前听到一个有趣的说法：

在 C 语言中我们是这样写代码的：

function_a(yyy);
function_b(xxx);

从左往右看过去，最先看到的是函数，也就是 Procedure，故叫做 Procedure Oriented。

而在 Java 这类语言我们通常是这样的：

Worker worker = new Woker（"小北");
worker.touchFish("5分钟");
worker.coding("1小时");

第一眼看到的就是一个个的对象，所以叫做面向对象 Object Oriented。

回到正题。在 C 语言中，数据和操作数据的函数是互相分开的，你并不知道数据和函数之间有什么关联，这在语言层面上是不支持的。

在 C 语言中，编程就是将一堆以功能为核心导向的函数进行组合，依次调用这些函数就可以了。

这就叫面向过程，其实和我们思考问题的方式是吻合的。比如要实现一个贪吃蛇游戏，那面向过程的设计思路就是首先分析问题的步骤：

1. 开始游戏

2. 随机生成食物

3. 绘制画面

4. 接收输入并改变方向

5. 判断是否碰到墙壁和食物等

6. ...

而用面向对象的思路则是：

首先，将整个游戏拆解为一个个的实体：蛇、食物、障碍物、规则系统、动画系统。

其次，分别去实现这些实体应该具有的功能（即成员函数），同时你还要考虑不同实体之间如何交互和传递消息。说白了就是调用关系和传参。

比如规则系统接收蛇、食物、障碍物作为参数，可以判定是否吃到食物或者碰到墙壁。

动画系统则可以接收蛇、食物、障碍物等作为参数，然后在屏幕上动态的显示出来。

这样做的好处是：可以利用面向对象有封装、继承、多态性的特性，设计出低耦合的系统，使系统更加灵活、更加易于维护。

好了，上面这段大概可以看做八股文。你分别用 C 和 Java/C++ 写过程序自然知道二者区别。不然我说再多的高内聚、低耦合也没啥用。

对象如何实现？

对象的就是由一堆的属性（成员变量）和一系列的方法（成员函数）组成。在讲这个之前，先补充说明一个函数指针。

我们都知道函数在 C/C++、Java 这类语言中都不是一等公民，一等公民的意思就是能够像其它整数、字符串变量一样，可以被赋值或者作为函数参数、返回值等。但是在 JS、Python 这类动态语言中，函数却是一等公民，可以作为参数、返回值等等。

究其原因，这类语言底层实现中，一切东西皆是对象。函数、整数、字符串、浮点数都是对象，函数才因此具备同其它基本类型一样的一等公民的身份。

在 C/C++ 中，函数虽然是二等公民， 但我们可以通过函数指针来变相的实现将函数用于变量赋值、函数参数、返回值场景。

函数指针是啥？

我们知道普通变量申明后，编译器就会自动分配一块适合的内存。函数也是同样的，编译的时候会将一个函数编译好，然后放在一块内存中。

(上面这段说法实际很不准确，因为编译器不会分配内存，编译好的代码也是以二进制的形式放在磁盘上，只有程序开始运行时才会加载到内存)

如果我们把函数的首地址也存储在某个指针变量里，就可以通过这个指针变量来调用所指向的函数了，这个存储函数首地址的特殊指针就叫做函数指针。

比如有一个函数 int func(int a);

我们如何申明一个可以指向 func 的函数指针呢？

int (*func_p)(int);

看起来有点奇怪，其实函数指针变量的声明格式和同函数 func 的声明一样，只不过把 func 换成（*func_p）罢了。

为什么要括号呢？因为不要括号的话 int *func_p(int); 就是申明一个返回指针的函数了，括号就是为了避免这种歧义。

我们来多看几个函数指针的申明吧：

int (*f1)(int); // 传入int，返回int 
void (*f2)(char*); //传入char指针，没有返回值 
double* (*f3)(int, int); //传递两个整数，返回 double指针

来看一个函数指针的具体用处吧：

# include <stdio.h>


typedef void (*work)() Work; // typedef 定义一种函数指针类型


void xiaobei_work() {
 printf("小北工作就是写代码");
}


void shuaibei_work() {
 printf("帅北工作就是摸鱼")
}


void do_work(Work worker) {
  worker();
}
int main(void)
{
  Work x_work = xiaobei_work;
  Work s_work = shuaibei_work;
  do_work(x_work);
  do_work(s_work);
  return 0;
}

输出：

小北工作就是写代码

帅北工作就是摸鱼

其实这里有点为了用函数指针而用了，不过大家应该体会到了，函数指针最大的优点就是将函数变量化了。

我们可以将函数作为参数传递给其它函数，于是就有了多态的雏形。我们可以传递不同的函数来实现不同的行为。

void qsort(void* base, size_t num, size_t width, int(*compare)(const void*,const void*))

这是 C 标准库中 qsort 函数的申明，它最后一个参数就要求传入一个函数指针，这个函数指针负责比较两个 element。

因为两个元素的比较方式只有调用者才知道，所以这里需要以函数指针的形式告诉 qsort 如何去判定两个元素的大小。

好了，函数指针就简单介绍到这里，接下来回到主题，对象。

对象

那么在 C 语言中如何简单模拟一个对象呢？

当然只能靠结构体啦，而成员函数就可以通过函数指针来实现，其它的比如访问控制、继承等我们暂时不考虑。

struct Animal {
    char name[20];
    void (*eat)(struct Animal* this, char *food); // 成员方法 eat
    int (*work)(struct Animal* this);    // 成员方法 工作
};

但是 eat 和 work 都还没有任何具体实现，所以我们可以在一个初始化函数中构造 Animal 对象。

void eat(struct Animal* this, char *food) {
    printf("%s 在吃 %s\n", this->name, food);
};


void work(struct Animal* this) {
    printf("%s 在工作\n", this->name);
}
struct Animal* Init(const char *name) {
    struct Animal *animal = (struct Animal *)malloc(sizeof(struct Animal));
    strcpy(animal->name, name);
    animal->eat = eat;
    animal->work = work;
    return animal;
}

在 Init 函数内部我们就完成了“成员函数”的赋值和一些初始化工作，并且给 eat 和 work 两个函数指针都绑定了具体的实现。

接下来我们可以使用一下这个对象：

int main() {
 struct Animal *animal = Init("小狗");
 animal->eat(animal, "牛肉");
 animal->work(animal);
 return 0;
}

输出:

小狗在吃牛肉

小狗在工作

为什么明明 animal 调用的 eat 方法，却还要把 animal 当参数传递给 eat 方法呢，难道 eat 不知道是哪一个 Animal 调用的它吗？

答案是确实不知道。对象其实就是在内存中一段有意义的区域，每一个不同的对象都有各自的内存位置。

而他们的成员函数却存放在代码段，并且只会存在一份副本。

所以 animal->eat(...)调用方式和直接调用 eat(...)，效果完全等同，那个animal 存在的意义就是让你从面向过程转变为面向对象思考，将方法调用转变为对象间消息传递。

所以当调用成员函数的时候，我们还需要传入一个参数 this，用来指代当前是哪个对象在调用。

由于 C 语言不支持面向对象，所以我们需要手动将 animal 作为参数传递给 eat、work 函数。

如果是在 C++ 这种面向对象的语言中，我们直接不用手动传递这个参数，就像下面这样：

animal->eat(“牛肉”);
animal->work();

实际上这是编译器帮我们去做这个事，上面这两行代码，经过编译器之后会变成下面这个样子：

eat(animal, "牛肉");
work(animal);

然后，编译器还会在编译阶段默默地将 this 作为成员函数的一个形参添加到参数列表。

并且哪个对象调用的方法，那个对象就会被当做参数赋值给 this。

学习 Java 的的同学也一定对这个this非常熟悉吧，Java 中和 C++ 中的 this 基本都是一样的作用。

或者说，几乎所有的面向对象语言，都会存在一个类似的机制，来将调用对象隐式的传递给成员函数，比如 Python 中的对象定义：

class Stu:
   def __init__(self, name, age):
      self.name = name
      self.age = age
      
   def displayStu(self):
      print "Name : ", self.name,  ", Age: ", self.age

可以看到每个成员函数第一个参数都必须叫 self，这个 self 实际上就是和 this是一样的作用。

只有这样，当你在成员函数内访问成员变量的时候，编译器才知道你访问的是哪一个对象。

诶，别忙，按照这样说，那岂不是，如果我在成员函数内不访问任何成员变量，就不需要传递这个 this 指针？

或者说可以传递一个空指针？

理论上确实成立，并且在 C++ 中也是可行的，比如下面这段代码：

class Stu{
public:
    void Hello() {
     cout << "hello world" << endl;
    }
private:
    char *name;
    int age;
    float score;
};

由于，在 Hello 函数中没有用到任何成员变量，所以我们甚至可以这样玩：

Stu *stu = new Stu;
stu->Hello(); // 正常对象，正常调用
stu = NULL;
stu->Hello() // 虽然 stu 为 NULL，但是依然不会发送运行时错误

这里实际上可以这样看：

stu->Hello(); 等价于Hello(NULL);

由于在 Hello 函数内部，没有使用任何的成员变量，所以就不需要用 this 指针去定位成员变量的内存位置，在这种情况下，调用对象为不为 NULL 其实是不重要的。

但是如果 Hello 函数访问了成员变量，比如：

void Hello() {
 cout << "Hello " << this->name << endl;
}

这里需要用到 this 去访问 name 成员变量， 那么就会导致运行时程序发生 coredump，因为我们访问了一个 NULL 地址，或者说是基于 NULL 偏移一定位置的地址，这段空间绝对是没有访问权限的。

恰好之前也有位同学在群里问了这个问题：

这个问题的解释就和上面的一样，但是这个结论不能推广到其它语言，比如 Java、Python。这些语言的虚拟机一般会做一些额外的检查，比如判断调用对象是否是空指针等，是的话就会触发空指针异常。

而 C++ 就真的是很纯粹的编译成汇编，只要从汇编层面能跑通，那就没问题，所以才能利用这个“奇技淫巧”。

那写这篇文章的目的，就是想让大家对「对象」有一个具体的认识，最好是明白对象在内存中或者 JVM 中是如何布局的。

我以前就会觉得对象挺神奇的，一堆的功能，后来才后知后觉，这不就是一个结构体再加上编译器的语法糖吗????

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