我揭開了「對(duì)象」的神秘面紗

別誤會(huì)，今天不是要寫我對(duì)象的......

這篇文章主要是聊聊我對(duì)于編程語言中「對(duì)象」的一些簡單認(rèn)識(shí)，Go！

一、面向過程 VS 面向?qū)ο?span style="display: none;">

為什么 C 叫面向過程（Procedure Oriented）的語言，而 Java、C++ 之類叫面向?qū)ο螅∣bject Oriented）呢？

之前聽到一個(gè)有趣的說法：

在 C 語言中我們是這樣寫代碼的：

function_a(yyy);
function_b(xxx);

從左往右看過去，最先看到的是函數(shù)，也就是 Procedure，故叫做「Procedure Oriented」。

而在 Java 這類語言我們通常是這樣的：

Worker?worker?=?new?Woker（"小北");
worker.touchFish("5分鐘");
worker.coding("1小時(shí)");

第一眼看到的就是一個(gè)個(gè)的對(duì)象，所以叫做面向?qū)ο蟆窸bject Oriented」。

回到正題，在 C 語言，「數(shù)據(jù)」和「操作數(shù)據(jù)的函數(shù)」是互相分開的，你并不知道數(shù)據(jù)和函數(shù)之間有什么關(guān)聯(lián)，這在語言層面上是不支持的。

在 C 語言中，編程就是將一堆以功能為核心導(dǎo)向的函數(shù)進(jìn)行組合，依次調(diào)用這些函數(shù)就可以了。

這就叫面向過程，其實(shí)和我們思考問題的方式是吻合的，比如要實(shí)現(xiàn)一個(gè)貪吃蛇，那面向過程的設(shè)計(jì)思路就是首先分析問題的步驟：

1、開始游戲

2、隨機(jī)生成食物

3、繪制畫面

4、接收輸入并改變方向

5、判斷是否碰到墻壁和食物等

6、...

而用面向?qū)ο蟮乃悸穭t是：

首先，將整個(gè)游戲拆解為一個(gè)個(gè)的實(shí)體：蛇、食物、障礙物、規(guī)則系統(tǒng)、動(dòng)畫系統(tǒng)。

然后分別去實(shí)現(xiàn)這些實(shí)體應(yīng)該具有的功能（即成員函數(shù)），然后你還要考慮不同實(shí)體之間如何交互和傳遞消息，說白了就是調(diào)用關(guān)系和傳參。

比如規(guī)則系統(tǒng)接收蛇、食物、障礙物作為參數(shù)，可以判定是否吃到食物或者碰到墻壁。

動(dòng)畫系統(tǒng)則可以接收蛇、食物、障礙物等作為參數(shù)，然后在屏幕上動(dòng)態(tài)的顯示出來。

這樣做的好處便是，可以利用面向?qū)ο笥蟹庋b、繼承、多態(tài)性的特性，設(shè)計(jì)出低耦合的系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加靈活、更加易于維護(hù)。

好了，上面這段大概可以看做八股文，你分別用 C 和 Java/C++ 寫過程序自然知道二者區(qū)別，沒寫過，我在這說高內(nèi)聚、低耦合也沒啥用。

二、那么對(duì)象是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

對(duì)象的本質(zhì)就是一堆的屬性（成員變量）和一系列的方法（成員函數(shù)）組成，在講這個(gè)之前，先補(bǔ)充說明一個(gè)「函數(shù)指針」。

我們都知道函數(shù)在 C/C++、Java 這類語言中都不是一等公民，一等公民的意思就是能夠像其它整數(shù)、字符串變量一樣，可以被賦值或者作為函數(shù)參數(shù)、返回值等。

但是在 JS、Python 這類動(dòng)態(tài)語言中，函數(shù)卻是一等公民，可以作為參數(shù)、返回值等等。

究其原因，這類語言底層實(shí)現(xiàn)中，一切東西皆是對(duì)象，函數(shù)、整數(shù)、字符串、浮點(diǎn)數(shù)都是對(duì)象，函數(shù)才因此具備同其它基本類型一樣的一等公民的身份。

但是！在 C/C++ 中函數(shù)雖然是二等公民， 但我們可以通過函數(shù)指針來變相的實(shí)現(xiàn)將函數(shù)用于變量賦值、函數(shù)參數(shù)、返回值場景。

三、函數(shù)指針是啥？

我們知道普通變量申明后，編譯器就會(huì)自動(dòng)分配一塊適合的內(nèi)存，那么函數(shù)也是同樣的，編譯的時(shí)候會(huì)將一個(gè)函數(shù)編譯好，然后放在一塊內(nèi)存中。

(上面這段說法實(shí)際很不準(zhǔn)確，因?yàn)榫幾g器不會(huì)分配內(nèi)存，編譯好的代碼也是以二進(jìn)制的形式放在磁盤上，只有程序開始運(yùn)行時(shí)才會(huì)加載到內(nèi)存)

如果我們把函數(shù)的首地址也存儲(chǔ)在某個(gè)指針變量里，就可以通過這個(gè)指針變量來調(diào)用所指向的函數(shù)了，這個(gè)存儲(chǔ)函數(shù)首地址的特殊指針就叫做「函數(shù)指針」。

比如有一個(gè)函數(shù)int func(int a);

我們?nèi)绾紊昝饕粋€(gè)可以指向func的函數(shù)指針呢？

int (*func_p)(int);

看起來有點(diǎn)奇怪，其實(shí)函數(shù)指針變量的聲明格式如同函數(shù)func的聲明一樣，只不過把 func換成了 （*func_p）罷了。

為什么要括號(hào)呢？因?yàn)椴灰ㄌ?hào)的話int *func_p(int);就是申明一個(gè)返回指針的函數(shù)了，括號(hào)就是為了避免這種歧義。

我們來多看幾個(gè)函數(shù)指針的申明吧：

int?(*f1)(int);?//?傳入int，返回int?
void?(*f2)(char*);?//傳入char指針，沒有返回值?
double*?(*f3)(int,?int);?//傳遞兩個(gè)整數(shù)，返回?double指針

來看一個(gè)函數(shù)指針的具體用處吧：

#?include?

typedef?void?(*work)()?Work;?//?typedef?定義一種函數(shù)指針類型

void?xiaobei_work()?{
?printf("小北工作就是寫代碼");
}

void?shuaibei_work()?{
?printf("帥北工作就是摸魚")
}

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;
}

輸出：

小北工作就是寫代碼

帥北工作就是摸魚

其實(shí)這里有點(diǎn)為了用函數(shù)指針而用了，不過大家應(yīng)該體會(huì)到了，函數(shù)指針最大的優(yōu)點(diǎn)就是將函數(shù)變量化了。

我們可以將函數(shù)作為參數(shù)傳遞給其它函數(shù)，那么這里其實(shí)就有了多態(tài)的雛形，我們可以傳遞不同的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的行為。

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

這是 C 標(biāo)準(zhǔn)庫中 qsort 函數(shù)的申明，它最后一個(gè)參數(shù)就要求傳入一個(gè)函數(shù)指針，這個(gè)函數(shù)指針負(fù)責(zé)比較兩個(gè) element。

因?yàn)閮蓚€(gè)元素的比較方式只有調(diào)用者才知道，所以這里需要以函數(shù)指針的形式告訴 qsort 如何去判定兩個(gè)元素的大小。

好了，函數(shù)指針就簡單介紹到這里，接下來回到主題，對(duì)象。

四、對(duì)象

那么在 C 語言中如何簡單模擬一個(gè)對(duì)象呢？

當(dāng)然只能靠結(jié)構(gòu)體啦，而成員函數(shù)就可以通過函數(shù)指針來實(shí)現(xiàn)，其它的比如訪問控制、繼承等我們暫時(shí)不考慮。

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

但是eat和work都還沒有任何具體實(shí)現(xiàn)，所以我們可以在一個(gè)初始化函數(shù)中構(gòu)造這個(gè) Animal 對(duì)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函數(shù)內(nèi)部我們就完成了“成員函數(shù)”的賦值和一些初始化工作，并且給 eat和work兩個(gè)函數(shù)指針都綁定了具體的實(shí)現(xiàn)。

接下來我們可以使用一下這個(gè)對(duì)象：

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

輸出:

小狗 在吃 牛肉

小狗 在工作

為什么明明animal調(diào)用的eat方法卻還要把animal當(dāng)參數(shù)傳遞給eat方法呢，難道eat不知道是哪一個(gè)Animal調(diào)用的它嗎？

確實(shí)不知道，對(duì)象其實(shí)就是在內(nèi)存中一段有意義的區(qū)域，每一個(gè)不同的對(duì)象都有各自的內(nèi)存位置。

而他們的成員函數(shù)卻存放在代碼段，而且只會(huì)存在一份副本。

所以animal->eat(...)調(diào)用方式和直接調(diào)用eat(...)，效果完全等同，那個(gè)animal存在的意義就是讓你從面向過程轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驅(qū)ο笏伎?，將方法調(diào)用轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)象間消息傳遞。

所以當(dāng)調(diào)用成員函數(shù)的時(shí)候，我們還需要傳入一個(gè)參數(shù) this，用來指代當(dāng)前是哪個(gè)對(duì)象在調(diào)用。

由于 C 語言不支持面向?qū)ο螅晕覀冃枰謩?dòng)將 animal 作為參數(shù)傳遞給 eat、work 函數(shù)。

如果是在 C++ 這種面向?qū)ο蟮恼Z言中，我們直接不用手動(dòng)傳遞這個(gè)參數(shù)，就像下面這樣：

animal->eat(“牛肉”);
animal->work();

實(shí)際上這是編譯器幫我們?nèi)プ鲞@個(gè)事，上面這兩行代碼，經(jīng)過編譯器之后會(huì)變成下面這個(gè)樣子：

eat(animal,?"牛肉");
work(animal);

然后，編譯器還會(huì)在編譯階段默默地將 this 作為成員函數(shù)的一個(gè)形參添加到參數(shù)列表。

并且哪個(gè)對(duì)象調(diào)用的方法，那個(gè)對(duì)象就會(huì)被當(dāng)做參數(shù)賦值給this。

學(xué)習(xí) Java 的的同學(xué)也一定對(duì)這個(gè)this非常熟悉吧，Java 中和 C++ 中的 this 基本都是一樣的作用。

或者說，幾乎所有的面向?qū)ο笳Z言，都會(huì)存在一個(gè)類似的機(jī)制，來將調(diào)用對(duì)象隱式的傳遞給成員函數(shù)，比如 Python 中的對(duì)象定義：

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

可以看到每個(gè)成員函數(shù)第一個(gè)參數(shù)都必須叫self，這個(gè)self實(shí)際上就是和this是一樣的作用。

只有這樣，當(dāng)你在成員函數(shù)內(nèi)訪問成員變量的時(shí)候，編譯器才知道你訪問的是哪一個(gè)對(duì)象。

誒，別忙，按照這樣說，那豈不是，如果我在成員函數(shù)內(nèi)不訪問任何成員變量，就不需要傳遞這個(gè)this指針？

或者說可以傳遞一個(gè)空指針？

理論上確實(shí)成立，并且在 C++ 中也是可行的，比如下面這段代碼：

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

由于，在 Hello 函數(shù)中沒有用到任何成員變量，所以我們甚至可以這樣玩：

Stu?*stu?=?new?Stu;
stu->Hello();?//?正常對(duì)象，正常調(diào)用
stu?=?NULL;
stu->Hello()?//?雖然?stu?為?NULL，但是依然不會(huì)發(fā)送運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤

這里實(shí)際上可以這樣看：

stu->Hello(); 等價(jià)于Hello(NULL);

由于在 Hello 函數(shù)內(nèi)部，沒有使用任何的成員變量，所以就不需要用 this 指針去定位成員變量的內(nèi)存位置，在這種情況下，調(diào)用對(duì)象為不為 NULL 其實(shí)是不重要的。

但是如果 Hello 函數(shù)訪問了成員變量，比如：

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

這里需要用到 this 去訪問 name 成員變量， 那么就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)程序發(fā)生 coredump，因?yàn)槲覀冊(cè)L問了一個(gè) NULL 地址，或者說是基于 NULL 偏移一定位置的地址，這段空間絕對(duì)是沒有訪問權(quán)限的。

之前，恰好也有位同學(xué)在群里問了這個(gè)問題：

這個(gè)問題解釋就和上面的一樣，但是這個(gè)結(jié)論不能推廣到其它語言，比如 Java、Python，這些語言的虛擬機(jī)一般會(huì)做一些額外的檢查，比如判斷調(diào)用對(duì)象是否是空指針等，是的話就會(huì)觸發(fā)空指針異常。

而 C++ 就真的是很純粹的編譯成匯編，只要從匯編層面能跑通，那就沒問題，所以才能利用這個(gè)“奇技淫巧”。

那寫這篇文章得目的呢，就是想讓大家對(duì)「對(duì)象」有一個(gè)具體的認(rèn)識(shí)，最好是明白對(duì)象在內(nèi)存中或者 JVM 中是如何布局的。

我以前就會(huì)覺得對(duì)象挺神奇的，一堆的功能，后來才后知后覺，不就是一個(gè)結(jié)構(gòu)體再加上編譯器的語法糖嗎

好啦，對(duì)象的秘密都給大家解開了，不給我點(diǎn)亮一個(gè)在看么？