用C语言实现模板类的一些个人思路

0. FAQ

Q: 为什么要用模板？
A: 为了解决函数重载问题。例如，在C++中，我们要比较两个int型变量的哪个大，并返回其中较大的值，可能会写这样的函数：

int Max(int a, int b) { return a > b ? a : b; }
int main() {printf("%d\n", Max(123, 456));return 0;
}

但是，如果我们还要比较更多的类型，例如char型，double型之类的，我们都需要重新写一个类似的实现，这很不方便：

char Max(char a, char b) { return a > b ? a : b; }
double Max(double a, double b) { return a > b ? a : b; }
int main() {printf("%c, %lf\n", Max('a', 'z'), Max(1.1, 2.2));return 0;
}

这个时候我们可以考虑使用模板来简化代码：

template <typename T>
T Max(T a, T b) { return a > b ? a : b; }
int main() {printf("%d, %c, %lf\n", Max(123, 456), Max('a', 'z'), Max(1.1, 2.2)); return 0;
}

Q: C能重载？
A: 不能，C只能像这样子：

int Max_int(int a, int b) { return a > b ? a : b; }
char Max_char(char a, char b) { return a > b ? a : b; }
double Max_double(double a, double b) { return a > b ? a : b; }
int main() {printf("%d, %c, %lf\n", Max_int(123, 456), Max_char('a', 'z'), Max_double(1.1, 2.2));return 0;
}

Q: 道理我都懂，有C++了，为什么还要用C实现模板？
A: 虽然一般情况下都能直接写C++来代替C程序啦，不过确实存在无法使用C++的场合。很不幸，我工作所用的语言只能是C，于是，之前用惯了C++的我决定探索一下如何用C实现模板- -+

1. 目前个人写法风格

1.0 模板函数

首先，用前面的Max函数为例，先看一下我目前的写法风格吧:-P

需要注意的是：为防止宏嵌套出错，例如_Max(Pair(int, char))会被拓展成Max$_Pair(int, char)_$这样的不合法变量名（Pair的定义见1.1模板类示例），我们都需要多写一个类似于#define Max(T) _Max(T)这样的操作

#define _Max(T) Max$_##T##_$
#define Max(T) _Max(T)#define _Max_IMPL(T) T Max(T)(T a, T b) { return a > b ? a : b; }
#define Max_IMPL(T) _Max_IMPL(T)Max_IMPL(int);
Max_IMPL(char);
Max_IMPL(double);int main() {printf("%d, %c, %lf\n", Max(int)(123, 456), Max(char)('a', 'z'), Max(double)(1.1, 2.2));return 0;
}

下面解释一下上面的代码到底做了什么：

用宏来模仿C++的写法 —— #define _Max(T) Max$_##T##_$
这里用了Max(T)宏来模仿C++的Max<T>写法。

例如：Max(int)，宏拓展后实际上等于Max$_int_$（$符号确实是合法变量名），这里用$_表示C++中模板的尖括号左侧<，用_$表示尖括号右侧>
模板实现 —— #define _Max_IMPL(T) T Max(T a, T b) { return a > b ? a : b; }
相当于C++的template <typename T> T Max(T a, T b) { return a > b ? a : b; }
实例化模板 —— Max_IMPL(int);
由于C不是C++，所以需要使用者自己去实例化对应的模板类型，此处宏拓展出来的代码为int Max(int)(int a, int b) { return a > b ? a : b; }，然后Max(int)再拓展为Max$_int_$，于是最终结果为：
int Max$_int_$(int a, int b) { return a > b ? a : b; }
使用 —— Max(int)(123, 456)
相当于C++的Max<int>(123, 456)

像这样，我们就实现了一个T Max<T>(T, T)模板函数了！在此基础上，我们可以更进一步：如果能做一个检测代码中Max使用了哪些模板类型，然后在编译前自动添加实现Max_IMPL(…)完成“实例化”的程序，就可以完成类似于C++的模板类型推断功能了- -+

1.1 模板类

模板类同理，我们以简单的Pair为例（保存两个类型数据的结构）

#define _Pair(T1, T2) Pair$_##T1##_$$_##T2##_$
#define Pair(T1, T2) _Pair(T1, T2)#define _Pair_IMPL(T1, T2) typedef struct { T1 t1; T2 t2; } Pair(T1, T2)
#define Pair_IMPL(T1, T2) _Pair_DEF(T1, T2)Pair_IMPL(int, char);
Pair_IMPL(int, double);int main() {Pair(int, char) p_ic;Pair(int, double) p_id;p_ic.t1 = 123;p_ic.t2 = 'a';p_id.t1 = 456;p_id.t2 = 1.1;return 0;
}

#define _Pair(T1, T2) Pair$_##T1##_$$_##T2##_$
用Pair(T1, T2)模仿C++中Pair<T1, T2>的写法
#define _Pair_IMPL(T1, T2) typedef struct Pair(T1, T2) { T1 t1; T2 t2; } Pair(T1, T2)
相当于template<typename T1, typename T2> struct Pair{ T1 t1; T2 t2; }
Pair_IMPL(int, char);
实例化Pair<int, char>，此处宏拓展的最终结果为：
typedef struct { int t1; char t2; } Pair$_int_$$_char_$
Pair(int, char) p_ic;
相当于Pair<int, char> p_ic;

像这样，我们就完成了简单的Pair<T1, T2>模板类了

个人项目（完善中）：https://github.com/NumbFish-Luo/NfLib
参考资料：C语言宏高级用法 https://www.cnblogs.com/alantu2018/p/8465911.html