C 语言数据结构的封装方法-白红宇

C 语言数据结构的封装方法

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发布时间：2019-05-25

本文共 3553 字，大约阅读时间需要 11 分钟。

本文是C语言封装设计的第三篇文章，前两篇请见和。

本文介绍C语言中如何封装数据结构，让调用者可以引用这个数据结构，但无法获知这个数据结构的内部构成，也无法读写这个数据结构的成员变量。

解决这个问题，常见的手法是提供一个new_xxx 函数，返回一个数据结构的指针。

比如，数据结构为 dlist_t, 那么在 dlist.h和dlist.c中定义如下：

// dlist.h#ifndef DLIST_H#define DLIST_Htypedef struct dlist_t dlist_t;dlist_t* new_dlist();int dlist_init(dlist_t* plist, uint64_t capacity);int dlist_destroy(dlist_t* plist);int dlist_append(dlist_t* plist, void* pdata);// .....#endif

dlist.c 中的源码为：

// dlist.c#include "dlist.h"#include 
   
    #include 
    
     typedef struct dlist_node_t {    struct dlist_node_t* pprev;    struct dlist_node_t* pnext;    void* pdata;} dlist_node_t;struct dlist_t {   dlist_node_t* phead;   dlist_node_t* ptail;   uint64_t capacity;   // ....};dlist_t* new_dlist() {    dlist_t* plist = malloc(sizeof(dlist_t));    if (!plist) return NULL;    memset(plist, 0, sizeof(dlist_t));    return pplist;}int dlist_init(dlist_t* plist, uint64_t capacity) {    // ...}int dlist_destroy(dlist_t* plist) {    // ...}int dlist_append(dlist_t* plist, void* pdata) {    // ...}// ....

这种方法，能够让调用者使用dlist_t这个数据结构，但无法获知这个数据结构的内部构成，也无法读写这个数据结构的成员变量。

但这种方法的不足在于，这个数据结构不能在栈上分配，并且这个对象只能从堆中分配，无法从调用者的内存池中分配。

因此，我们对上面这种方法进行改进，彻底解决这些不足。先探讨一下解决的思路：

要想能够在栈上声明这个数据结构变量，那么这个数据结构必须对调用者完全可见，并且在源码编译过程中就能确定这个对象的尺寸大小。但违背了我们的需求：向调用者隐藏数据结构的内部实现。

因此，要完美解决这些问题，我们需要提供两种数据结构，一种对调用者可见，但没有数据结构的内部实现；另一种对调用者不可见，这是真正的数据结构，有完整的内部实现细节。这两种数据结构的大小完全相同，因此可以相互转化。

具体的做法是：对调用者可见的数据结构，是个char数组，数组的大小为真正数据结构的大小。提供对应的宏，封装这些细节。

我们用这个思路，改造一下上面的代码：dlist.h 中的源码为：

#ifndef DLIST_H#define DLIST_H#include 
   
    #include 
    
     typedef struct dlist_t dlist_t;// 在栈上声明一个dlist_t结构，varptr_name 为指向这个结构的指针#define DLIST_VAR(varptr_name) DLIST_VAR2(varptr_name, __LINE__)// 通过malloc 申请一个 dlist_t，arptr_name 为指向这个结构的指针#define DLIST_NEW(varptr_name) dlist_t* varptr_name = (dlist_t*)malloc(DLIST_SIZE);// 在其它struct 中，声明一个dlist_t结构的成员变量#define DLIST_FIELD_DEF(varname) char varname[DLIST_SIZE];// 引用结构中的dlist_t成员，返回dlist_t*的指针#define DLIST_FIELD(full_varname) ((dlist_t*)(full_varname))// for internal use!#define DLIST_SIZE 24#define DLIST_VAR2(varptr_name, n) \        char varptr_name ## n [DLIST_SIZE]; \        dlist_t* varptr_name = (dlist_t*)varptr_name ## n;// public 接口函数int dlist_init(dlist_t* plist, uint64_t capacity);int dlist_destroy(dlist_t* plist);int dlist_append(dlist_t* plist, void* pdata);// .....#endif

dlist.c 中的源码为：

// dlist.c#include "dlist.h"#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      typedef struct dlist_node_t {        struct dlist_node_t* pprev;        struct dlist_node_t* pnext;        void* pdata;} dlist_node_t;struct dlist_t {   dlist_node_t* phead;   dlist_node_t* ptail;   uint64_t capacity;   // ....};int dlist_init(dlist_t* plist, uint64_t capacity) {        //printf("sizeof(dlist_t) = %d\n", sizeof(dlist_t));        assert(DLIST_SIZE == sizeof(dlist_t));        memset(plist, 0, sizeof(dlist_t));        plist->capacity = capacity;        return 0;}int dlist_destroy(dlist_t* plist) {        return 0;}int dlist_append(dlist_t* plist, void* pdata) {        return 0;}

我们写一个测试程序，测试一下各种使用场景：

// test_dlist.c#include "dlist.h"typedef struct queue_t {        int len;        int cap;        DLIST_FIELD_DEF(list)} queue_t;int main() {        DLIST_VAR(plist)        dlist_init(plist, 1024);        dlist_destroy(plist);        DLIST_NEW(plist2)        dlist_init(plist2, 1024);        free(plist2);        queue_t q;        dlist_init(DLIST_FIELD(q.list), 1024);        return 0;}

通过这种方法，我们就可以实现数据结构的完美封装，调用者可以使用这个数据结构，但不能读写内部成员，并且这个对象可以在栈、堆或用户自己的内存池中分配。

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