用 C 语言实现 interface

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发布于: 2021 年 06 月 07 日

本文是 C 语言封装设计的第四篇文章，前三篇请见《C 语言面向对象的封装方式》、《 C语言面向对象的封装方式(示例)》和《C语言数据结构的封装方法》。

本文介绍 C 语言中如何实现接口(interface)，应用场景为：多个提供者提供的服务接口函数完全相同，但实现不同，因而在性能、可靠性等方面有所差异。比如，两个 HashMap 的实现，一个性能非常快，但内存占用大；另一个内存占用非常少，但性能一般。但二者提供的服务接口函数都是一样的，如 get、put 等。

通过 interface，我们可以把服务提供者的服务界面抽象成一致的函数群，调用者只需要对接口进行编程即可，无需关心接口下面的具体实现。这是对函数群的封装。

接口(interface)技术，是非常强大的技术。通过接口，调用者可以在对服务提供者完全无感知，甚至调用者的代码写完之后，还可以继续增加新的服务提供者，无需调用者的代码做任何更改。

比如，一个操作系统需要管理各种文件系统，但文件系统的种类是非常多的，无法把每一种文件系统都写入操作系统的内核中，因此内核可以对文件系统进行接口抽象，只要满足了这个接口要求，后续新的文件系统都可以注册进内核，无需对内核的代码进行任何修改。

与上面类似的业务场景，非常多，比如 I/O 的多种调度策略、复杂服务程序支持的各种插件接口、GUI 界面对 Window、Widget 的接口抽象等等。

我们用文件系统的场景，来展示 C 语言中如何设计和实现接口。

操作系统内核是调用者，各种文件系统是服务实现者，这些文件系统都实现了如下接口：

interface IFileSystem {	int create_file(const char* path, int flags, int mode);	int open_file(const char* path, int flags);	int read_file(int fd, char* buf, int len);	int write_file(int fd, const char* buf, int len);	int close_file(int fd);	// ...}

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C 语言中，没有 interface 这个语法，因此上面的代码在 C 语言中，需要用 struct 来实现。具体包括：

每个接口函数，需要声明一个单独的函数指针类型；
整个 interface 的方法集，用一个 struct 来表示，struct 的成员为各个函数指针
每个文件系统的实现者，各自需要一个 struct 来表示，这个 struct 的类型对调用者不可见。各个文件系统有自己的 struct 结构，彼此互不相同，也互不可见。
接口的实现，包括两部分：1）接口函数的实现；2）文件系统的 struct 实例。这两部分放在一起，构成了接口的实现。我们用一个 struct 来把这两部分组合在一起。
由于各个文件系统的 struct 结构，对调用者不可见，因此文件系统用 void*把自己的 struct 指针传递给调用者。

具体的代码实现，如下：(为了保持篇幅简洁，只列了 open_file 和 read_file 两个方法)

//fs_interface.h#ifndef FS_INTERFACE_H#define FS_INTERFACE_H
// 接口函数指针类型typedef int (*open_file_fn)(void* pfs, const char* path, int flags);typedef int (*read_file_fn)(void* pfs, int fd, char* buf, int len);

// 接口方法集typedef struct fs_methods_t {        open_file_fn open_file;        read_file_fn read_file;} fs_methods_t;
// 接口的实现体typedef struct file_system_interface {        void* pfs;                              // 文件系统的具体实现struct        fs_methods_t* pmethods; // 这个文件系统的具体接口方式实现} file_system_interface;
// 各个文件系统，通过 register_file_system 将自己注册进内核// const char* pname;           // 文件系统的名称，如ext2, xfs...int register_file_system(const char* pname, file_system_interface fsi);

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上面的代码中，有几个地方需要注意：

1）每个接口函数类型声明中，都比 interface 中的函数多了一个参数：void* pfs, 这个参数指向具体的文件系统的 struct。

这样，内核才能真正对这个 struct 对象发起调用。

2）file_system_interface 是 interface 的具体实现体，里面包含 2 个指针：一个是指向文件系统实现体 struct 的指针 pfs, 另一个指针指向文件系统实现的接口函数的集合。

这样，interface 就是一个简单的 struct，可以像简单变量一样声明、赋值和参数传递，其按值拷贝传递即可，无需传指针引用。

这样，通过 file_system_interface，内核就可以对文件系统发起调用。例如，调用 ext2 文件系统的 open_file:

// find ext2 file_system_interface by name "ext2"file_system_interface fsi = ....// call open_fileint fd = fsi.pmethods->open_file(fsi.pfs, path, flags);return fd;

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再看看 ext2 文件系统，如何实现这个接口：

ext2_fs.h 的内容如下：

// ext2_fs.h#ifndef EXT2_FS_H#define EXT2_FS_H
#include "fs_interface.h"
typedef struct ext2_fs_t {        // ......} ext2_fs_t;
int ext2_open_file(ext2_fs_t* pfs, const char* path, int flags);int ext2_read_file(ext2_fs_t* pfs, int fd, char* buf, int len);
int ext2_init(void);
#endif

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ext2_fs.c 的实现代码：

// ext2_fs.c#include "ext2_fs.h"
// 接口方法实现集合fs_methods_t ext2_methods = {	.open_file = (open_file_fn)ext2_open_file,	.read_file = (read_file_fn)ext2_read_file,};
// 服务实例ext2_fs_t g_ext2_fs;
int ext2_init(void) {	// init g_ext2_fs struct ....	// ....
	file_system_interface fsi = { .pfs = &g_ext2_fs, .pmethods = &ext2_methods };	int ret = register_file_system("ext2", fsi);	return ret;}

int ext2_open_file(ext2_fs_t* pfs, const char* path, int flags) {	// ....}
int ext2_read_file(ext2_fs_t* pfs, int fd, char* buf, int len) {	// ....}

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其它文件系统，如 xfs，ext4 等，实现的代码与上面的 ext2 类似，这样就都可以注册进内核中。通过接口，内核可以对这些实现无感知。

接口，是非常强大的封装手段，在业务场景中经常遇到，希望通过本文的代码展示，让大家都学会这种技术。

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发布于: 2021 年 06 月 07 日阅读数: 12

原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/2fdf2c32a8866f81978e18f18】。文章转载请联系作者。

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