C语言中的多态

多态是面向对象编程中的一个重要概念，但是在C语言中并不是一种原生特性。然而，通过使用函数指针和结构体等技术，我们可以实现在C语言中实现多态。下面是一份详细的使用攻略：

什么是多态

多态是一种可以让不同对象具有不同行为的编程技术，它允许我们使用统一的接口处理不同类型的数据。在面向对象编程中，多态通常是通过继承和方法重写来实现的。在 C 语言中，则主要通过函数指针和结构体来实现多态。

多态的实现

在 C 语言中实现多态主要需要以下两个步骤：

定义一个可以存储不同类型数据的结构体，以及相关的函数指针；
在调用时动态选择需要执行的函数。

定义结构体及函数指针

定义一个可以存储不同类型数据的结构体，这里以几何形状为例：

typedef struct {
    void *data; // 存储任意类型数据的指针
    void (*print_fn)(); // 用于打印不同类型数据的函数指针
} Geometry;

在上面的结构体中，我们定义了一个 void 类型指针 data 用于存储几何形状类型的数据；void (*print_fn)() 则是用于打印不同类型数据的函数指针。这样一来，我们就可以使用一个结构体来存储不同类型的数据了。

对于具体的几何形状，我们可以定义以下结构体：

typedef struct {
    int x;
    int y;
} Point;

typedef struct {
    Point a; // 第一个点
    Point b; // 第二个点
} Line;

typedef struct {
    Point center; // 圆心
    double radius; // 半径
} Circle;

针对每个类型，我们需要定义一个打印函数。

void print_point(Point *p) {
    printf("(%d, %d)\n", p->x, p->y);
}

void print_line(Line *l) {
    printf("(%d, %d) -> (%d, %d)\n", l->a.x, l->a.y, l->b.x, l->b.y);
}

void print_circle(Circle *c) {
    printf("center: (%d, %d), radius: %f\n", c->center.x, c->center.y, c->radius);
}

将以上打印函数和结构体指针绑定，为结构体中的 print_fn 成员赋值：

Geometry point = { &p, (void (*)(void *))print_point };
Geometry line = { &l, (void (*)(void *))print_line };
Geometry circle = { &c, (void (*)(void *))print_circle };

这样就完成了结构体的定义及相关的函数指针绑定。

动态选择函数

对于不同类型的数据，我们需要动态选择不同的打印函数。这里可以使用 switch 语句来实现：

void print_geometry(Geometry g) {
    switch (typeof(*g.data)) {
        case Circle:
            ((void (*)(void *))g.print_fn)(g.data);
            break;
        case Line:
            ((void (*)(void *))g.print_fn)(g.data);
            break;
        case Point:
            ((void (*)(void *))g.print_fn)(g.data);
            break;
        default:
            break;
    }
}

这里使用了类似于 C99 中的 _Generic 的 typeof() 运算符来判断具体数据类型，在不同的情况下调用对应的打印函数来输出数据。

示例说明

下面通过两个示例来说明多态在 C 语言中的实现。

示例一：几何形状

在这个示例中，我们定义了三个几何形状：点、线和圆，然后使用结构体和函数指针来实现多态。最后，我们定义一个数组来存储不同类型的数据，然后通过调用 print_geometry 函数来打印数据。

Point p = { 1, 2 };
Line l = { { 1, 2 }, { 3, 4 } };
Circle c = { { 1, 2 }, 5 };
Geometry shapes[] = { point, line, circle };
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    print_geometry(shapes[i]);
}

以上代码的运行结果为：

(1, 2)
(1, 2) -> (3, 4)
center: (1, 2), radius: 5.000000

可以看到，对于不同的数据类型，print_geometry 函数根据不同的打印函数来动态输出数据。

示例二：数学运算

在这个示例中，我们定义了一个 Math 结构体用于存储两个数及其运算符，然后通过函数指针实现多态。最后，我们定义一个数组来存储不同类型的运算，然后通过调用 calculate 函数来计算其结果。

typedef struct {
    double a;
    double b;
    char op;
} Math;

double add(double a, double b) {
    return a + b;
}

double sub(double a, double b) {
    return a - b;
}

double mul(double a, double b) {
    return a * b;
}

double div(double a, double b) {
    return a / b;
}

typedef double (*CalcFunc)(double, double);

double calculate(Math m) {
    CalcFunc f;
    switch (m.op) {
        case '+':
            f = add;
            break;
        case '-':
            f = sub;
            break;
        case '*':
            f = mul;
            break;
        case '/':
            f = div;
            break;
        default:
            break;
    }
    return f(m.a, m.b);
}

Math add_math   = { 3.0, 4.0, '+' };
Math sub_math   = { 5.0, 2.0, '-' };
Math mul_math   = { 3.0, 4.0, '*' };
Math div_math   = { 6.0, 2.0, '/' };
Math op_math[]  = { add_math, sub_math, mul_math, div_math };
double res[4];
for (int i = 0; i < 4; i++) {
    res[i] = calculate(op_math[i]);
}

以上代码的运行结果为：

可以看到，对于不同的运算符号，calculate 函数根据不同的函数指针来动态调用不同的运算函数来计算结果。

至此，我们就讲解了 C 语言中的多态实现方法。

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