概述

在沒有面向對象語法的C語言中，策略（Strategy）模式和狀態（State）模式都通過“上下文 + 接口”組合來模擬多態。
它們在代碼結構上幾乎一致，但設計意圖和應用場景卻差異很大。

本文分三部分深入剖析：

1. 在C語言中如何模擬多態
2. 策略模式與狀態模式的設計意圖與差異
3. 結合EEPROM抽象層案例，展示二者協作與狀態機應用

1. C語言中的“模擬多態”

在C語言中，多態可通過結構體與函數指針模擬：上下文（Context）持有一組函數指針（vtable），動態指向具體實現。下例展示通用框架：

// 通用接口類型（vtable）
typedef struct {void (*action)(void *ctx, int evt);
} module_iface_t;// 通用上下文
typedef struct {const module_iface_t *iface;  // 指向當前策略或狀態的 vtablevoid *instance_data;          // 指向具體策略/狀態實例私有數據
} module_ctx_t;

在策略模式中，action 對應具體算法；在狀態模式中，action 則為事件處理函數。此框架既可用于策略，也可用于狀態，賦予系統極高的復用性。

2. 策略模式 vs. 狀態模式

2.1 策略模式：關注“如何做”

• 目的：封裝一組可互換的算法，讓調用者在運行時自行選擇
• 決策權：在外部，上下文被動執行指定策略
• 應用場景：濾波算法切換、通信協議選擇、后端存儲后備機制等

示例類圖

2.2 狀態模式：關注“何時做、做什么”

• 目的：將對象行為與內部狀態綁定，使行為隨狀態自動切換
• 決策權：在內部，狀態自身決定是否及何時轉換
• 應用場景：設備驅動、協議狀態機、時序復雜的后端服務等

示例類圖與狀態圖

核心差異

• 策略模式：算法平行，可在任意時刻替換
• 狀態模式：狀態有序，轉換邏輯由狀態機管理

2.3 小結：模式賦能架構

在前文中，我們分別闡述了策略模式如何將“如何做”的決策權交給外部，做到算法與調用邏輯的徹底解耦；以及狀態模式如何把“何時做、做什么”的流程控制封裝到內部狀態機中，保障行為隨狀態演進而自動切換。

既然二者在實現上高度相似，我們有時候可以將二者組合起來使用。

3. 實戰：高可靠EEPROM抽象層

下面通過分層設計，展示策略模式與狀態機的協同應用。

3.1 統一層：策略模式應用

需求

為應用暴露統一接口，支持I2C EEPROM與NOR Flash兩種后端，具備自動檢測與運行時降級能力。

設計

• 上下文：unified_eeprom
• 策略接口：包含 read_var, write_var 等函數指針
• 具體策略：I2C_EEPROM_Service、EE_NOR_Flash_Service
• 決策枚舉：eeprom_backend_t { AUTO, I2C, FLASH, HYBRID }

// 策略接口定義
typedef struct {rt_err_t (*read_var)(int id, void *buf, size_t len);rt_err_t (*write_var)(int id, const void *buf, size_t len);
} eeprom_iface_t;// 統一上下文
typedef struct {const eeprom_iface_t *iface;eeprom_backend_t current_backend;
} unified_eeprom_t;

運行時降級

eeprom_set_backend(EEPROM_BACKEND_AUTO);rt_err_t rc = eeprom_read_var(VAR_ID_X, buf, len);
if (rc != RT_EOK) {// 失敗后自動切換策略eeprom_set_backend(EEPROM_BACKEND_FLASH);rc = eeprom_read_var(VAR_ID_X, buf, len);
}

AUTO模式下，統一層在I2C失敗時自動切換至Flash。此決策過程對上層透明，上層僅感知最終結果。

3.2 后端服務：HSM驅動的狀態模式

將I2C和Flash服務均設計為分層狀態機，封裝所有時序邏輯，實現可恢復與高可靠。

3.2.1 I2C EEPROM狀態機

• 關鍵狀態：UNINITIALIZED、IDLE、READING、WRITING、WAITING_READY、VERIFYING、ERROR
• 核心邏輯：跨頁讀取、分頁寫入+輪詢就緒、可選校驗與指數退避重試

3.2.2 NOR Flash狀態機

• 關鍵狀態：UNINITIALIZED、VALID_PAGE、MIGRATING、FORMATTING、ERROR
• 核心邏輯：雙頁交替寫、數據遷移、啟動恢復與磨損均衡

4. 協同：策略 × 狀態機

在“高可靠EEPROM抽象層”案例中，我們已經看到了策略模式與狀態機的協同：

• 策略層 (統一層)：決定“走哪條路徑”，即選擇I2C后端還是Flash后端。
• 狀態機層 (后端服務)：負責“路徑內部的時序與恢復”，如I2C的寫后輪詢、Flash的頁面遷移。

兩者協同時，可在復雜約束下實現透明降級與高可用。

這種“策略包含狀態機”的組合非常強大，下面我們深入探討其兩種主要協同模式。

4.1 模式一：將“完整狀態機”作為策略單元

這是EEPROM案例的核心架構模式。我們把一個“完整的狀態機（包含其所有狀態、轉移邏輯和動作）”封裝成一個策略實現。Context僅需持有指向不同狀態機策略的指針，即可在運行時“一鍵切換整體行為”。

這相當于將I2C_EEPROM_Service和EE_NOR_Flash_Service這兩個復雜的狀態機，包裝成符合eeprom_iface_t接口的策略單元。

適用場景：

• 復雜流程的替換：將“I2C讀寫流程”與“Flash讀寫流程”抽象為可互換的策略。
• 行為隔離：兩套狀態機邏輯完全獨立，互不干擾，便于獨立開發與測試。

4.2 模式二：在“狀態內部”嵌入子策略

當狀態機的主流程固定，但某個具體狀態的“動作”或“算法”需要靈活替換時，可以在該狀態內部嵌入一個“子策略”。

例如，在Flash_EEPROM_Service的MIGRATING狀態中，數據校驗可以是一個子策略。我們可以根據系統要求，在“快速校驗(CRC8)”和“高可靠校驗(CRC32)”之間切換，而無需改變狀態機的主體結構。

// MIGRATING狀態的動作函數
void on_migrating_entry(hsm_t *sm, const hsm_event_t *event) {// ...// 根據運行時配置選擇校驗策略if (is_fast_mode()) {ctx->crc_strategy = &crc8_strategy;} else {ctx->crc_strategy = &crc32_strategy;}// ...
}// 在遷移過程中使用子策略
void perform_migration_step(context_t *ctx) {// ...uint32_t crc = ctx->crc_strategy->calculate(data, len);// ...
}

適用場景：

• 算法替換：狀態機結構穩定，但內部算法需要動態調整（如加密、壓縮、校驗算法）。
• 功能開關：在不改變狀態流程的情況下，通過空策略（noop）實現功能的動態開啟或關閉。

4.3 C代碼示例：用策略管理多狀態機

下面的代碼演示了“模式一”的通用實現，即如何通過策略模式來管理和切換兩個完全獨立的狀態機流程。

// "狀態機策略"的統一接口
typedef struct sm_ctx_s sm_ctx_t;
typedef struct {void (*init)(sm_ctx_t*);void (*dispatch)(sm_ctx_t*, int event);
} sm_strategy_t;// 上下文，持有當前的狀態機策略
struct sm_ctx_s {const sm_strategy_t *ops;void *state_data; // 指向具體狀態機的私有數據
};// --- 狀態機A (例如: I2C EEPROM) ---
void sma_init(sm_ctx_t *c){ /* ... 狀態機A初始化 ... */ }
void sma_dispatch(sm_ctx_t *c, int e){ /* ... A的事件處理 ... */ }
const sm_strategy_t smA_strategy = { sma_init, sma_dispatch };// --- 狀態機B (例如: Flash EEPROM) ---
void smb_init(sm_ctx_t *c){ /* ... 狀態機B初始化 ... */ }
void smb_dispatch(sm_ctx_t *c, int e){ /* ... B的事件處理 ... */ }
const sm_strategy_t smB_strategy = { smb_init, smb_dispatch };// 應用層通過策略接口與狀態機交互
void application_logic(void) {sm_ctx_t fsm;// 根據條件選擇一個完整的狀態機流程作為當前策略if (use_i2c_backend()) {fsm.ops = &smA_strategy;} else {fsm.ops = &smB_strategy;}// 后續操作對具體狀態機無感知fsm.ops->init(&fsm);while (has_event()) {fsm.ops->dispatch(&fsm, next_event());}
}

實踐要點（結合統一EEPROM案例）：

• 策略層：unified_eeprom負責選擇 I2C 或 Flash 后端（含 AUTO/降級），對上層透明。
• 狀態機層：i2c_eeprom_service和ee_nor_flash_service各自封裝頁寫、遷移、恢復等復雜時序與錯誤處理。
• 并發與鎖序：策略層持短鎖做選擇，狀態機在各自內部串行化操作，避免跨層嵌套鎖。
• 失敗處理：策略層負責統計健康度并決策是否切換；狀態機負責局部的、可恢復的重試。

5. 小結

• 在嵌入式C中，可通過“上下文 + 接口”框架復用策略與狀態模式實現結構。
• 策略模式關注“如何做”，決策權在外部；狀態模式關注“何時做、做什么”，決策權在內部。
• 將策略與狀態機結合，可構建透明、可降級、高可用的分層架構。