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Softwaretechnik Objektorientierte Programmierung mit C

Autor / Redakteur: Frank Listing * / Franz Graser

Obwohl C keine objektorientierte Sprache ist, ist die objektorientierte Programmierung mit ihr möglich. Dieser Artikel beschäftigt sich mit der Umsetzung von UML-Elementen aus dem Klassendiagramm in C-Code. Es wird gezeigt, was möglich ist und wo die Umsetzung mit der Programmiersprache C an ihre Grenzen stößt.

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Drei Objekte der Klasse „Mixer“: Objektorientierte Konzepte lassen sich auch mit der Programmiersprache C umsetzen.
Drei Objekte der Klasse „Mixer“: Objektorientierte Konzepte lassen sich auch mit der Programmiersprache C umsetzen.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Die UML (Unified Modeling Language) hat sich mittlerweile auch im Embedded-Bereich als eine akzeptierte Notation etabliert. Sie wird in immer mehr Projekten eingesetzt, um den Aufbau und das Verhalten der Programme zu beschreiben.

Dabei gibt es verschiedene Bereiche in der UML, die mehr oder weniger nah am Code sind. Wo ein Paketdiagramm noch die Architektur beschreibt und weitgehend unabhängig von der später verwendeten Programmiersprache ist, muss bei der Erstellung von Klassendiagrammen schon an die spätere Implementierung gedacht werden, da nicht jedes in der UML unterstützte Merkmal auch in jeder Programmiersprache verfügbar ist.

Die bei der Embedded-Programmierung zurzeit am häufigsten verwendete Programmiersprache C ist nicht objektorientiert. Dies dient in vielen Projekten als Ausrede, um nicht über neue Methoden der Programmierung nachdenken zu müssen. Dabei findet objektorientierte Entwicklung im Kopf des Entwicklers statt. Sie lässt sich mit jeder Programmiersprache umsetzen.

Bei einer nicht objektorientierten Programmiersprache muss mit zusätzlichen Regeln und Techniken ein Umfeld geschaffen werden, das diese Art der Programmierung ermöglicht.

UML-Klassen in C umsetzen

Eines der wichtigsten Elemente in der UML ist die Klasse. Sie steht im Mittelpunkt der objektorientierten Programmierung. Das Klassendiagramm der UML stellt die im Projekt verwendeten Klassen mit ihren Attributen (entspricht den Daten) und Operationen (entspricht den Funktionen) und andererseits die Beziehungen zwischen den Klassen dar.

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In der Programmiersprache C gibt es kein Syntaxelement für die Klasse. Allerdings gibt es die Struktur als Mittel, komplexe Daten strukturiert abzulegen. Im einfachsten Fall wird eine Struktur mit einem zugeordneten Satz von Funktionen definiert. Per Programmiervorschrift wird festgelegt, dass auf die Struktur nur über die speziellen Funktionen zugegriffen werden darf.

Listing 1-1, eine Klasse in C:

typedef struct {
   int anzahlRaeder;
   char* hupTon;
   int geschwindigkeit;
}Auto;void Auto_init(Auto *this, int anzahlRaeder, char* hupTon);
void Auto_fahre(Auto *this);
void Auto_hupe(Auto *this, int anzahl);

Zuordnung von Funktion und Struktur

Die Zuordnung von Funktion und Struktur erfolgt über den ersten Parameter der Funktion – das ist immer ein Zeiger auf die Instanz der Struktur, die gerade bearbeitet wird. Dieser Parameter entspricht dem this-Pointer in C++.

Listing 1-2, Objekterzeugung auf dem Stack:

// Objekt auf dem Stack
Auto a;
Auto_init(&a, 4, „tut“);
Auto_fahre(&a);
Auto_hupe(&a, 3);

Listing 1-3, Objekterzeugung auf dem Heap:

// Objekt auf dem Heap
Auto *pa= (Auto*)malloc(sizeof(Auto));
Auto_init(pa, 3, „maep“);
Auto_fahre(pa);
Auto_hupe(pa, 2);
free(pa);

Das Problem dieser einfachen Lösung ist, dass gegen Vorschriften auch gern mal verstoßen wird und damit das objektorientierte Gebäude zum Einsturz gebracht wird. Auf dieses Dilemma wird später noch näher eingegangen.

Beziehungen zwischen den Klassen implementieren

Nach den Klassen geht es an die Darstellung der Beziehungen zwischen ihnen. Im Klassendiagramm werden Assoziation, Aggregation und Vererbung verwendet. Die Assoziation ist eine einfache Beziehung zwischen zwei gleichrangigen Klassen (Bild 2).

Die Umsetzung im C-Code ist einfach: Eine Klasse enthält einen Zeiger auf die andere Klasse. Bei der gerichteten Assoziation (siehe Abbildung) hat nur eine von beiden Klassen einen Zeiger auf die andere, und bei einer bidirektionalen Assoziation haben beide Klassen einen Zeiger auf die jeweilige andere Klasse.

Listing 2-1:, die Klasse Garage enthält einen Zeiger auf die Klasse Auto:

typedef struct {
   Auto* pAuto;
}Garage;void Garage_init(Garage *this);
void Garage_init2(Garage *this, Auto *pAuto);
void Garage_einparken(Garage *this, Auto *pAuto);
void Garage_ausparken(Garage *this);

Da die einzelnen Objekte erst einmal nichts voneinander wissen, muss im Programmcode noch eine Verbindung zwischen ihnen hergestellt werden:

Listing 2-2: In der Funktion Garage_einparken() wird die Assoziation initialisiert.

Auto a;
Garage g;
Auto_init(&a, 4, „tut“);
Garage_init(&g);
Garage_einparken(&g, &a);

Umsetzung von Aggregation in C

Die Aggregation ist eine „besteht aus“-Beziehung, hier wird ein Objekt in ein anderes eingebettet (Bild 3). Eine Aggregation kann realisiert werden, indem das einzubettende Objekt als Member in die Struktur des äußeren Objektes aufgenommen wird.

Listing 3, die Klasse Auto aggregiert ein Objekt der Klasse Motor:

typedef struct {
   int anzahlRaeder;
   char* hupTon;
   int geschwindigkeit;
   Motor motor;
}Auto;

Genau genommen ist diese Beziehung sogar eine Komposition, die strengere Form der Aggregation, da das eingebettete Objekt mit dem äußeren Objekt zerstört wird.

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