Linux虽然是面向过程的c语言写成的，但是却可以表达面向对象的思想，Linux内核大量使用面向对象的编码风格，我们可以从中至少学习到两点：

• 说明在大型软件开发中，OOP编程思想很重要，和具体语言无关；

• 同时展示了怎么用c语言实现OOP编程，值得广大C语言开发者学习。

我们用例子来说明。

封装

以内核proto定义为例：

struct proto 定义传输层接口方法和相应成员数据，类似C++的class定义；可以根据这个class生产很多实例，比如TCP实例，可以通过统一接口访问TCP实例的方法和数据。

继承

以内核套接字体系为例：

基于此继承体系，对于一些接受 struct sock* 形参的接口，就可以直接把上述的子类套接字实例 struct udp_sock* sk作为实参传进去（当然，这里需要指针强转一次(struct sock*)sk）。这里就是OOP中“is a"的public继承关系，子类对象可以直接作为父类对象使用，并且这种实现只支持单继承。

多态

用C实现多态需要自己维护继承关系中的虚函数体系，C++有编译器自动生成、维护vtbl与vptr。Linux内核的实现中，将系列函数指针放入结构体，即视其为“虚函数”，亦或是专门定义一个xxx_ops结构，里面放上一堆函数指针，作为“虚函数表”。仍以套接字体系为例，在基类 sock 中，有协议结构体指针 struct proto *skc_prot; 这个proto即可大体上视为一个虚函数表vtbl，内有具体协议的函数指针，而这个skc_prot指针，即可视为虚指针vptr。

在套接字创建时，根据参数中的协议族、协议类型、协议号信息，调用协议族的create函数执行创建，绑定具体协议proto指针到该vptr上，自此实现了静态类型到动态类型的绑定。之后，当调用虚函数时，即可直接通过这些函数指针进行多态的调用 , 比如下面例子socket调用connect接口：

这里第一个参数sk即可看做this指针，不同socket对象，会访问对应协议接口,从而实现多态访问：

list作为常用数据结构，写代码时候经常会遇到，可以看一下传统list设计和内核list设计有什么不一样。

一般的双向链表一般是如下的结构:

• 有个单独的头结点(head)

• 每个节点(node)除了包含必要的数据之外，还有2个指针(pre,next)

• pre指针指向前一个节点(node)，next指针指向后一个节点(node)

• 头结点(head)的pre指针指向链表的最后一个节点

• 最后一个节点的next指针指向头结点(head)

传统list如下图：

传统的链表不同node类型，需要重新定义结构，不够通用化，还需要为node实现脱链、入链操作等。

我们需要抽象出一个“基类”来实现链表的功能，其他数据结构只需要简单的继承这个链表类就可以了。

内核list设计如下：

• 链表不是将用户数据保存在链表节点中，而是将链表节点保存在用户数据中

• 链表节点只有2个指针(prev和next)
  

• prev指针指向前一个节点的链表节点，next指针指向后一个节点(node)的链表节点

如下图：

这样设计的好处是链表的节点将独立于用户数据之外，便于把链表的操作独立出来，和具体数据节点无关，这里可能有些人会问，数据节点怎么访问呢？  内核通过一个container_of的宏从链表节点找到数据节点起始地址：

找到数据节点起始地址后，通过数据节点定义就可以访问数据了，内核红黑树rbtree也是同样的设计。

从Linux2.6开始Linux加入了一套驱动管理和注册机制—platform平台总线驱动模型:

这里设计通过中间bus层，把强耦合Device和对应Driver进行了解耦隔离，定好match，probe等标准通信接口，就可以独立开发，通过总线bus进行关联通信，有点类似中介模式。

由于篇幅优先，这里列举一些非常重要且非常实用的C++专有的设计模式。

‘资源获取即初始化‘（简称 RAII）是C++防止内存泄露一个很好解决方案，它结合构造函数和析构函数，把资源生命周期和对象生命周期绑定起来，在构造函数中获取资源（这些错误会引发异常），然后将其释放到析构函数中（永不抛出），并且不需要显式清理，从而防止忘记释放资源；

C ++STL库很多类遵循RAII设计原则，比如std :: string，std :: vector，std :: thread等。

基于策略设计又名policy-based class design 是一种基于C++计算机程序设计模式，以策略（Policy）为基础，并结合C++的模板元编程。就是将原本复杂的系统，拆解成多个独立运作的“策略类别”，每一组policy class都只负责单纯如行为或结构的某一方面。多重继承由于继承自多组 Base Class，故缺乏型别消息，而Templetes基于型别，拥有丰富的型别消息。多重继承容易扩张，而Templetes的特化不容易扩张。Policy-Based Class Design 同时使用了 Template 以及 Multiple Inheritance 两项技术，结合两者的优点，看下面例子：

ResourceManager则称为宿主类别（host class），只需要切换不同 Policy Class（ReadPolicy or WritePolicy），就可以得到不同的功能实体。Policy不一定要被宿主继承，只需要用委托完成这一工作。但policies必须遵守一个隐含的constraint，接口必须一样，故参数不能有巨大改变，policy 的一个重要的特征是，宿主类别经常（并不一定要）使用多重继承的机制去使用多个 policy classes.  因此在进行 policy 拆解时，必须要尽可能达成正交分解，policy之间最好彼此独立运作，不相互影响。

Pimpl是一种广泛使用的削减编译依赖项的技术, 看下面例子可能就明白了：

因为Widget的成员变量有std::string，std::vector和Gadget，那么这些类型的头文件在Widget编译时必须出现，这意味Widget的用户必须包含“gadget.h”。这些增加的头文件会增加Widget用户的编译时间，而且这使得用户依赖于这些头文件，即如果某个头文件的内容被改变了，Widget的用户就要重新编译。标准库头文件不会经常改变，但是“gadget.h”可能会经常修改。所以需要Pimp技术来消除这种变化影响--隔离变化；

这样Widget头文件里面就不需要包含“gadget.h”文件了，再CPP文件中再声明具体的类型：

在这里，我展示了“#include”指令，只为了说明所有对头文件的依赖（即std::string，std::vector和Gadget）依然存在。不过呢，依赖已经从“widget.h”（Widget用户可见的和使用的）转移到“widget.cpp”(只有Widget的实现者‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍才能看见和使用)，这样就把widget头文件变化影响隔离在内部实现中，对外接口不变，这里就体会到这种设计模‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍式的好处。

CRTP包含：

• 从模板类继承，

• 使用派生类本身作为基类的模板参数。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

这样做的目的是在基类中使用派生类。从基础对象的角度来看，派生对象本身就是对象，但是是向下转换的对象。因此，基类可以通过将static_cast自身放入派生类来访问派生类.

为什么要掌握设计模式，软件危机带来刚性要求，设计模式提倡的高内聚，低耦合，代码复用，可扩展性等思想，可以给我们软件设计带来一些思考，有了思考，就会产生一些积极变化；

理解设计模式前提，是要理解背后的设计原则，这是整个设计模式的精华；

经典的设计模式包含22种设计模式（没有解释器模式，日常开发中，很少使用），大致分为三类：创建型模式，结构型模式，行为模式；

Linux系统里面包含大量设计模式思想，面向对象设计，List/Rbtree抽象设计，驱动框架bus总线解耦设计，都值得我们学习；

每种编程语言都会有一些独特特殊习惯用法，Java的MVC，Golang的对象池模式(Object Pool)等，文中列举的C++一些常见的惯用法RAII，Policy-based Design ，Pimpl，CRTP等，对C++开发来说，了解和掌握他们，对于特定场景问题多了一些好的解决方案；

设计模式是银弹吗？不是，就像软件工程也不是银弹一样，这些都只是工具，关键还是看是否真正理解其背后反射出的设计精髓，我们需要多一些批判性的思考，没有绝对好坏，软件设计的最终方案很多时候都是权衡（trade-off）结果，但我们的长期目标始终没有变化。

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