C语言面向对象编程模拟

C语言是一种过程式编程语言，但它也可以通过一些技巧来模拟面向对象编程（OOP）的特性。在C语言中，虽然没有直接支持类和对象的语法结构，但可以通过结构体、函数指针以及动态内存分配等机制来实现类似的功能。本文将深入解析如何在C语言中模拟面向对象编程的核心概念，包括封装、继承和多态。

1. 封装

封装是面向对象编程中的一个重要特性，它允许将数据和操作这些数据的方法捆绑在一起。在C语言中，我们可以通过结构体和函数指针来实现封装。

结构体定义

首先，我们可以使用struct来定义一个“类”。例如，假设我们要创建一个表示二维点的“类”：

typedef struct {
    double x;
    double y;
    void (*move)(void *self, double dx, double dy);
} Point;

在这个结构体中，x和y是数据成员，而move是一个函数指针，它指向一个方法，用于移动点的位置。

方法实现

接下来，我们需要实现move方法，并将其赋值给结构体中的函数指针：

void point_move(void *self, double dx, double dy) {
    Point *p = (Point *)self;
    p->x += dx;
    p->y += dy;
}

// 初始化函数
Point *create_point(double x, double y) {
    Point *p = malloc(sizeof(Point));
    p->x = x;
    p->y = y;
    p->move = point_move;
    return p;
}

这样，我们就实现了封装的基本功能。

2. 继承

虽然C语言不直接支持继承，但我们可以通过组合的方式来模拟继承。具体做法是在子类的结构体中包含父类的结构体。

示例：继承

假设我们要创建一个表示颜色点的“类”，它是普通点的一个扩展，具有额外的颜色属性。

typedef struct {
    Point base; // 父类
    char color[20];
} ColorPoint;

// 颜色点的初始化
ColorPoint *create_color_point(double x, double y, const char *color) {
    ColorPoint *cp = malloc(sizeof(ColorPoint));
    cp->base = *(create_point(x, y)); // 初始化父类部分
    strncpy(cp->color, color, sizeof(cp->color) - 1);
    return cp;
}

在这里，ColorPoint结构体包含了Point结构体，这相当于模拟了继承关系。

3. 多态

多态性允许不同的对象对同一消息作出响应。在C语言中，可以通过函数指针实现多态。

示例：多态

假设我们有一个基类Shape和两个派生类Circle和Square，它们都有一个计算面积的方法。

typedef struct {
    double (*area)(void *self);
} Shape;

double circle_area(void *self) {
    Circle *c = (Circle *)self;
    return M_PI * c->radius * c->radius;
}

double square_area(void *self) {
    Square *s = (Square *)self;
    return s->side * s->side;
}

typedef struct {
    Shape base;
    double radius;
} Circle;

typedef struct {
    Shape base;
    double side;
} Square;

Circle *create_circle(double radius) {
    Circle *c = malloc(sizeof(Circle));
    c->radius = radius;
    c->base.area = circle_area;
    return c;
}

Square *create_square(double side) {
    Square *s = malloc(sizeof(Square));
    s->side = side;
    s->base.area = square_area;
    return s;
}

现在，我们可以编写一个通用的函数来处理不同类型的形状：

void print_area(Shape *shape) {
    printf("Area: %f\n", shape->area(shape));
}

这个函数可以接受任何实现了Shape接口的对象，并调用其area方法。