c语言模拟Python的定名参数

最近在书里看到的，让c语言去模拟其他语言里有的定名函数参数。觉得比力故意思所以纪录一下。
目标

众所周知c语言里是没有定名函数参数这种东西的，情势参数虽然有自己的名字，但传递的时间并不能通过这个名字来指定参数的值。
而支持定名参数的语言，比如python里，我们能让代码达到这种效果：

1. def k_func(a, b, c):
2.     print(f'{a=}, {b=}, {c=}')
4. k_func(1, 2, 3)        # Output: a=1, b=2, c=3
5. k_func(c=1, b=3, a=2)  # Output: a=2, b=3, c=1

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我们想要的类似于k_func(c=1, b=3, a=2)的效果，至少表现情势上要接近。虽说c的语法并不支持这样的表达式，但我们有办法模拟。
实现

我们假设有这样一个c语言的函数，现在我们想模拟定名参数传递：

1. int func(const char *text, unsigned int length, int width, int height, double weight)
2. {
3.     int printed = 0;
4.     printed += printf("text: %s\n", text);
5.     printed += printf("length: %d\n", length);
6.     printed += printf("width X height: %d X %d\n", width, height);
7.     printed += printf("weight: %g\n", weight);
8.     return printed;
9. }

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模拟的关键在于怎样完成名字到参数的映射。而且我们函数的五个参数有四种不同的范例，所以这个映射还得是异构的。
在不借助第三方库的情况下，第一个能想到的应该是enum加void*数组。enum可以完成名字到数组索引的映射，void*可以生存异构的数据。
这个方案的缺点很多：如果想要在length和width之间加个参数，我们很可能就必要修改所有的映射代码；比如void*可以接受任何数据范例的指针，所以我们几乎没有办法确保范例安全，想象一下如果有人给text传了个int的指针会发生什么。所以这个方案并不保举。
能容纳异构的数据，同时还能给这些数据名字的东西，现实上在c里非常常见，那就是布局体。我们要选择的就是基于布局体的方案。
首先我们来定义这个布局体：

1. typedef struct func_arguments {
2.     const char *text;
3.     unsigned int length;
4.     int width;
5.     int height;
6.     double weight;
7. } func_arguments;

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字段的顺序是无所谓的，你可以根据情况来任意调整。现在我们可以根据字段名来设置值了。现在还缺一环，只有布局体是没用的，我们必要把布局体的字段传递给函数才行。所以我们要写一个帮助函数：

1. int func_wrapper(func_arguments fa)
2. {
3.     // 根据需要还可以加入参数校验等逻辑
4.     return func(fa.text, fa.length, fa.width, fa.height, fa.weight);
5. }

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我们必要的工具根本上都在这了，然而现在和定名参数传递还有不少差距，因为我们必要这样写代码：

1. func_arguments fa;
2. fa.text = "text";
3. fa.length = 4;
4. fa.width = fa.height = 8;
5. fa.weight = 10.0;
6. func_wrapper(fa);

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不仅情势上差远了，代码还很繁琐，所以我们还得借助一下c99的复合字面量+指定初始化器的新语法来模拟定名参数传递：

1. func_wrapper((func_arguments){ .text = "text", .length = 4, .width = 8, .height = 8, .weight = 10.0 });

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c99允许在初始化时使用.字段名的情势给字段设置值，没有指定的字段则初始化成零值，c99还允许符合要求的字面量范例转换成数组/布局体。利用新语法我们就能写出上面的代码了。
现在情势上确实很接近了，但照旧显得有点啰嗦。这时间就得依赖宏了。c的宏可以实现文本替换和简单的范例分发，所以可以用它来把一些看起来不合法的表达式转换成正常的c语言代码。
首先声明，不要滥用宏，尤其是像下面那样，这里只是充当一下纪录而不是教你生产实践。
用宏可以这样写：

1. #define k_func(...) func_wrapper((func_arguments){ __VA_ARGS__ })

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这里用了另一个c99的新语法，可变长参数宏，三个点意味着宏可以接受用逗号分隔的任意个参数，而__VA_ARGS__会原样替换成这些参数。因此我们只必要让宏的参数里是精确的指定初始化器就行了：

1. k_func(.text="text", .length=4);
2. // 宏完成替换后等价于 func_wrapper((func_arguments){ .text = "text", .length = 4 });

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是不是很神奇？
有人可能会担心我们参数传递时复制了整个布局体，这会不会带来效率题目？通常这不会带来什么题目，现在编译器一般都能做到省略大部分不必要的复制，另外如果对象比力小的话复制通常也不会带来太大的开销，什么叫小很难定义，以我个人的经验来看尺寸比两个cacheline小的通常都可以算是“小”。
如果照旧不放心，也可以简单得把参数范例改成布局体指针：

1. int func_wrapper(const func_arguments *fa)
2. {
3.     return func(fa->text, fa->length, fa->width, fa->height, fa->weight);
4. }
6. #define k_func(...) func_wrapper(&(func_arguments){ __VA_ARGS__ })

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使用方法是一样的。注意宏里的&，这会分配一个auto生命周期的func_arguments变量（通常在栈上）然后再取它的指针。现在你可以不用担心了。不过我一般不保举这么写，除非你经过性能测试后发现参数复制真的导致了性能题目。
缺陷

奇迹和魔法都不是免费的，所以上面像变魔术的代码也是有代价的。
第一个缺陷比力小，那就是字段名字前必须加上点。如果这么写：printf("%d\n", k_func(.text="text", length=4))，注意length前我们不警惕把点给漏了。编译器会爆出一个不明所以的报错：

1. test.c: In function ‘main’:
2. test.c:31:45: error: ‘length’ undeclared (first use in this function)
3.    31 |         printf("%d\n", k_func(.text="text", length=4));
4.       |                                             ^~~~~~
5. test.c:27:52: note: in definition of macro ‘k_func’
6.    27 | #define k_func(...) func_wrapper((func_arguments){ __VA_ARGS__ })
7.       |                                                    ^~~~~~~~~~~
8. test.c:31:45: note: each undeclared identifier is reported only once for each function it appears in
9.    31 |         printf("%d\n", k_func(.text="text", length=4));
10.       |                                             ^~~~~~
11. test.c:27:52: note: in definition of macro ‘k_func’
12.    27 | #define k_func(...) func_wrapper((func_arguments){ __VA_ARGS__ })
13.       |                                                    ^~~~~~~~~~~

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它会告诉你length这个名字从来没被定义过而不是告诉你漏了个.。平常看东西不认真的人就要受罪了，因为要找这个点得花上一番功夫。
第二个缺陷是没有语法提示和主动补全。毕竟宏可以把任何符合规则的文本替换进去，至于替换完怎么样就管不到了，所以想要对k_func的参数进行提示和补全是不太轻易的，而且实验下来现在没有ide和编辑器能帮我把字段名主动补全。不过题目倒也不大，因为万一写错了的话编译器会给出准确的报错，只不过开辟效率会降低一些。
第三个缺陷在于可以写出这样的东西：printf("%d\n", k_func(.length=10, .text="text", .length=4))。我们指定了两次length字段的值，语法上这是允许的，length的值会被最右边的那个覆盖掉。但这显然不符合我们的要求，而且前面说了因为没有主动补全和语法提示，我们不警惕把height写成了weight也很难察觉到。更糟糕的是这种覆盖在gcc下必要指定-Wextra才气看到一个不痛不痒的警告。同样的情况在python下会直接收到一个语法错误的非常keyword argument repeated。
前两个缺陷还有办法降服，末了一个是没有任何办法的，只能靠更高级别的警告设置和人力检查了。
总结

正常来说我们做到func_wrapper那步就充足，后面的宏没啥意义纯粹是为了在情势上模拟python的定名参数而做的。
除了用布局体包装，写一个包装函数并调换参数的顺序或者给出默认值也是常见的做法，但这种做法很快会让接口的数量失控，大量相似的接口会让代码变得臭不可闻，所以我更保举用布局体。
末了学习新语法照旧很有用的，因为很多新语法好好利用的话可以有用提拔扩展性和你的开辟效率。

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