C語言實現多態：用結構體與函數指針模擬虛函數表

編輯：關於C語言

前言：為何在 C 語言中需要多態？

設計模式（如 Bridge、Proxy、Factory）的核心在於「抽象」。面向對象編程透過抽象類別建立框架骨架，再配合多態實現具體行為。C++ 原生支援繼承與虛函數，使這類設計極為自然；但純 C 語言缺乏語言級別的多態支援，許多開發者因此放棄此類設計思路。事實上，C 語言完全可以手動實現多態機制——關鍵在於理解虛函數表（vtable）的本質，並用結構體與函數指針加以模擬。

核心原理：VC 中的 Interface 本質

在 Visual C++ 中，__interface 關鍵字實際上被定義為 struct：

#ifndef Interface
#define Interface struct
#endif

當一個類別包含虛函數時，編譯器會在物件開頭植入一個隱藏指標 vptr，指向該類別的虛函數表（vtable）——一個由函數指標組成的陣列。C++ 只是在語言層面自動完成了這一切；在 C 中，我們只需手動構建相同的資料結構即可。

步驟一：定義「純虛結構」（介面）

使用結構體封裝一組函數指標，即可形成一個介面契約：

typedef struct {
    void (*Foo1)(void);
    char (*Foo2)(void);
    char* (*Foo3)(char* str);
} MyVirtualInterface;

步驟二：主類別持有介面指標

主類別 DoMyAct 不關心具體實現，僅持有介面指標並委派呼叫：

typedef struct {
    MyVirtualInterface* m_pInterface;
} DoMyAct;

void DoMyAct_SetInterface(DoMyAct* self, MyVirtualInterface* pInterface) {
    self->m_pInterface = pInterface;
}

void DoMyAct_Do(DoMyAct* self) {
    if (!self->m_pInterface) return;
    self->m_pInterface->Foo1();
    char c = self->m_pInterface->Foo2();
    // 進一步處理...
}

步驟三：具體實現類別（Act1、Act2）

每個具體類別內含一個介面陣列（可視為物件池），並提供建構函數初始化函數指標：

#define MAX_INSTANCES 10

typedef struct {
    MyVirtualInterface vtable[MAX_INSTANCES];
    int used[MAX_INSTANCES];
} Act1;

MyVirtualInterface* Act1_CreateInterface(Act1* self) {
    for (int i = 0; i < MAX_INSTANCES; ++i) {
        if (!self->used[i]) {
            self->used[i] = 1;
            self->vtable[i].Foo1 = Act1_Foo1_Impl;
            self->vtable[i].Foo2 = Act1_Foo2_Impl;
            self->vtable[i].Foo3 = Act1_Foo3_Impl;
            return &self->vtable[i];
        }
    }
    return NULL; // 池滿
}

// 具體實現函數
void Act1_Foo1_Impl(void) { /* ... */ }
char Act1_Foo2_Impl(void) { return 'A'; }
char* Act1_Foo3_Impl(char* str) { return str; }

Act2 結構與邏輯完全相同，僅實現函數不同。

步驟四：客戶端程式碼——消除 switch-case

主迴圈只需操作介面指標，完全解耦具體類型：

int main(void) {
    DoMyAct actor = {0};
    Act1 act1Pool = {0};
    Act2 act2Pool = {0};
    MyVirtualInterface* list[20];
    int count = 0;

    // 動態註冊實例
    MyVirtualInterface* p;
    if ((p = Act1_CreateInterface(&act1Pool))) list[count++] = p;
    if ((p = Act2_CreateInterface(&act2Pool))) list[count++] = p;

    // 統一調度
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        DoMyAct_SetInterface(&actor, list[i]);
        DoMyAct_Do(&actor); // 具體行為由介面決定
    }

    // 釋放資源...
    return 0;
}