設計模式（策略，觀察者，單例，工廠方法）

文章目錄

    • 1. 設計模式核心概念與C語言實現基礎
    • 2. 常用設計模式詳解
      • 模式一：策略模式（Strategy Pattern）
      • 模式二：觀察者模式（Observer Pattern）
      • 模式三：單例模式（Singleton Pattern）
      • 模式四：工廠方法模式（Factory Method Pattern）

1. 設計模式核心概念與C語言實現基礎

設計模式是一套被反復使用、多數人知曉、經過分類編目的、代碼設計經驗的總結。它描述了在軟件設計過程中一些不斷重復發生的問題，以及該問題的解決方案的核心。

在C語言中實現設計模式，主要依賴于以下技術來模擬面向對象特性：

  • 結構體（Structs）： 用于封裝數據，模擬類的屬性。
  • 函數指針（Function Pointers）： 用于封裝行為，模擬類的方法。這是實現多態（Polymorphism） 和繼承（Inheritance） 的關鍵。
  • 頭文件（.h）和源文件（.c）： 用于實現封裝（Encapsulation） 和信息隱藏。頭文件暴露結構體和公共函數接口，源文件隱藏私有數據和實現細節。
  • void指針（void*）： 用于實現泛型編程，處理未知類型的數據。

2. 常用設計模式詳解

以下選擇四個在系統級、嵌入式、中間件等C語言主導領域非常實用的模式。

模式一：策略模式（Strategy Pattern）

1、意圖
定義一系列算法，將每個算法封裝起來，并使它們可以互相替換。策略模式讓算法的變化獨立于使用算法的客戶。

2、UML圖示

uses
Context
-Strategy *strategy
+setStrategy(Strategy*)
+executeStrategy()
?interface?
Strategy
+execute()
ConcreteStrategyA
+execute()
ConcreteStrategyB
+execute()
  • Context：持有一個策略對象的引用，用接口與策略對象交互。
  • Strategy：策略接口，聲明了所有具體策略的通用方法（execute）。
  • ConcreteStrategy：實現了策略接口的具體算法。

3、C代碼實現

//--- strategy.h ---
// 聲明策略接口（用結構體模擬）
typedef struct Strategy Strategy;
struct Strategy {void (*execute)(void); // 函數指針，代表算法接口
};// 上下文類，用于連接策略
typedef struct Context Context;
struct Context {Strategy *strategy;void (*setStrategy)(Context *, Strategy *);void (*executeStrategy)(Context *);
};// 上下文的構造函數
Context *context_new();//--- strategy.c ---
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "strategy.h"// 上下文的方法實現
static void setStrategy(Context *self, Strategy *strategy) {self->strategy = strategy;
}static void executeStrategy(Context *self) {if (self->strategy && self->strategy->execute) {self->strategy->execute(); // 委托給具體策略} else {printf("No strategy set.\n");}
}// 上下文構造函數
Context *context_new() {Context *ctx = (Context *)malloc(sizeof(Context));ctx->strategy = NULL;ctx->setStrategy = setStrategy;ctx->executeStrategy = executeStrategy;return ctx;
}//--- concrete_strategy_a.c ---
#include <stdio.h>
#include "strategy.h"// 具體策略A的實現
static void execute_a(void) {printf("Executing strategy A: Quick sort algorithm.\n");
}// 具體策略A的“構造函數”，創建一個策略對象
Strategy *strategy_a_new() {Strategy *s = (Strategy *)malloc(sizeof(Strategy));s->execute = execute_a; // 將函數指針指向具體實現return s;
}//--- concrete_strategy_b.c ---
// ... 類似地實現策略B
static void execute_b(void) {printf("Executing strategy B: Merge sort algorithm.\n");
}
Strategy *strategy_b_new() {Strategy *s = (Strategy *)malloc(sizeof(Strategy));s->execute = execute_b;return s;
}//--- main.c ---
int main() {Context *ctx = context_new();Strategy *strategyA = strategy_a_new();Strategy *strategyB = strategy_b_new();// 使用策略Actx->setStrategy(ctx, strategyA);ctx->executeStrategy(ctx); // 輸出: Executing strategy A...// 動態切換為策略Bctx->setStrategy(ctx, strategyB);ctx->executeStrategy(ctx); // 輸出: Executing strategy B...// 釋放內存...return 0;
}

4、技術與內容

  • 技術： 使用結構體嵌套函數指針來模擬接口和多態。Context依賴于抽象的Strategy接口，而非具體實現。
  • 內容： 遵循開閉原則（對擴展開放，對修改關閉）。添加新算法（新策略）只需創建新的ConcreteStrategy，而無需修改Context的代碼。常用于算法選擇、文件格式轉換、日志策略等場景。

模式二：觀察者模式（Observer Pattern）

1、意圖
定義對象間的一種一對多的依賴關系，當一個對象（主題）的狀態發生改變時，所有依賴于它的對象（觀察者）都得到通知并被自動更新。

2、UML圖示

notifies
observes
Subject
-observers : List<Observer>
+attach(Observer*)
+detach(Observer*)
+notify()
ConcreteSubject
-state : int
+getState() : int
+setState(int)
?interface?
Observer
+update()
ConcreteObserver
-subject : Subject*
+update()

3、C代碼實現（簡化版）

//--- observer.h ---
typedef struct Observer Observer;
typedef struct Subject Subject;// 觀察者接口
struct Observer {void (*update)(Observer *self, int state); // 通知函數
};// 主題基類
struct Subject {Observer *observers[10]; // 簡單的觀察者數組（實際應用可用鏈表）int count;void (*attach)(Subject *, Observer *);void (*detach)(Subject *, Observer *);void (*notify)(Subject *);
};//--- subject.c ---
#include "observer.h"
#include <stdio.h>static void attach(Subject *self, Observer *obs) {if (self->count < 10) {self->observers[self->count++] = obs;}
}
static void detach(Subject *self, Observer *obs) { /* ... 從數組中移除 ... */ }
static void notify(Subject *self) {for (int i = 0; i < self->count; i++) {if (self->observers[i] && self->observers[i]->update) {// 這里需要知道狀態，通常ConcreteSubject會重寫notify// 為了簡化，我們假設傳遞一個虛擬狀態值0self->observers[i]->update(self->observers[i], 0);}}
}// 主題的“基類”構造函數
Subject *subject_new() {Subject *sub = (Subject *)malloc(sizeof(Subject));sub->count = 0;sub->attach = attach;sub->detach = detach;sub->notify = notify;return sub;
}//--- concrete_subject.c ---
// 具體主題，擁有狀態
typedef struct {Subject base; // 模擬“繼承”，Base放在第一個成員，可以實現強制轉換int state;
} ConcreteSubject;ConcreteSubject *concrete_subject_new() {ConcreteSubject *cs = (ConcreteSubject *)malloc(sizeof(ConcreteSubject));cs->base = *subject_new(); // 初始化基類部分cs->state = 0;return cs;
}
// 重寫notify？或者提供setState方法，在setState中調用notify
void concrete_subject_set_state(ConcreteSubject *self, int state) {self->state = state;self->base.notify((Subject *)self); // 通知所有觀察者
}//--- concrete_observer.c ---
typedef struct {Observer base;ConcreteSubject *subject; // 觀察者需要知道它所觀察的主題
} ConcreteObserver;static void update(Observer *self, int state) {ConcreteObserver *co = (ConcreteObserver *)self; // 獲取包含自己的大結構體// 從主題獲取真實狀態int actual_state = co->subject->state;printf("Observer %p: Subject's state changed to %d\n", (void*)self, actual_state);
}ConcreteObserver *concrete_observer_new(ConcreteSubject *sub) {ConcreteObserver *co = (ConcreteObserver *)malloc(sizeof(ConcreteObserver));co->base.update = update; // 實現接口co->subject = sub;sub->base.attach((Subject *)sub, (Observer *)co); // 注冊自己return co;
}//--- main.c ---
int main() {ConcreteSubject *subject = concrete_subject_new();ConcreteObserver *obs1 = concrete_observer_new(subject);ConcreteObserver *obs2 = concrete_observer_new(subject);// 改變主題狀態，觀察者會自動被通知concrete_subject_set_state(subject, 10);concrete_subject_set_state(subject, 20);return 0;
}

4、技術與內容

  • 技術： 使用組合和函數指針。主題維護一個觀察者列表。關鍵技巧是結構體嵌套（ConcreteSubject包含Subject，ConcreteObserver包含Observer）來實現一種形式的繼承和向上轉換。
  • 內容： 實現了發布-訂閱機制，徹底解耦了主題和觀察者。主題不知道觀察者的具體類，只知道它們實現了Observer接口。廣泛應用于GUI事件處理、數據監控、消息隊列等。

模式三：單例模式（Singleton Pattern）

1、意圖
保證一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點。

2、UML圖示

Singleton
-static instance : Singleton*
-Singleton()
+static getInstance()
  • 私有構造函數防止外部new。
  • 靜態變量instance持有唯一實例。
  • 靜態方法getInstance()控制實例的創建和訪問。

3、C代碼實現

//--- singleton.h ---
typedef struct Singleton Singleton;// 獲取單例實例的全局函數
Singleton *singleton_get_instance(void);// 某個業務方法
void singleton_some_business_operation(Singleton *self);//--- singleton.c ---
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>// 定義單例結構體（可以包含各種數據）
struct Singleton {int some_value;// ... other data
};// 靜態局部變量，在第一次函數調用時初始化，并持續存在
static Singleton *instance = NULL;Singleton *singleton_get_instance(void) {if (instance == NULL) {// 首次調用，創建實例instance = (Singleton *)malloc(sizeof(Singleton));instance->some_value = 42; // 初始化數據printf("Singleton instance created.\n");}return instance;
}void singleton_some_business_operation(Singleton *self) {printf("Singleton operation called. Value is %d\n", self->some_value);
}//--- main.c ---
int main() {// Singleton s; // 錯誤：結構體是不完整類型，無法在外部創建// Singleton *s = malloc(sizeof(Singleton)); // 可以但不合規，破壞了模式// 正確獲取實例的方式Singleton *s1 = singleton_get_instance();Singleton *s2 = singleton_get_instance();if (s1 == s2) {printf("Both pointers point to the same instance.\n");}singleton_some_business_operation(s1);return 0;
}

4、技術與內容

  • 技術： 使用靜態局部變量和靜態全局函數來控制實例的創建。通過不完整類型（在.h中只聲明struct Singleton，在.c中才定義它）來實現信息隱藏，防止外部直接創建實例。
  • 內容： 確保一個類只有一個實例，并提供一個全局訪問點。常用于需要全局管理的資源，如日志管理器、數據庫連接池、應用程序配置等。注意多線程環境下的線程安全問題（上面的簡單實現不是線程安全的）。

模式四：工廠方法模式（Factory Method Pattern）

1、意圖
定義一個用于創建對象的接口，讓子類決定實例化哪一個類。工廠方法使一個類的實例化延遲到其子類。

2、UML圖示

creates
Creator
+factoryMethod() : Product
+someOperation()
ConcreteCreatorA
+factoryMethod() : Product
ConcreteCreatorB
+factoryMethod() : Product
?interface?
Product
+operation()
ConcreteProductA
+operation()
ConcreteProductB
+operation()
  • Creator：聲明工廠方法，返回Product類型對象。
  • ConcreteCreator：重寫工廠方法，返回一個具體的ConcreteProduct實例。
  • Product：工廠方法創建的對象接口。

3、C代碼實現

//--- product.h ---
typedef struct Product Product;
struct Product {void (*operation)(Product *self);
};//--- creator.h ---
typedef struct Creator Creator;
struct Creator {// 工廠方法（函數指針），相當于一個“創建”接口Product *(*factoryMethod)(Creator *self);// 一個使用產品的操作void (*someOperation)(Creator *self);
};//--- concrete_creator_a.c ---
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "creator.h"
#include "product.h"// 具體產品A
typedef struct {Product base; // 模擬繼承，使ConcreteProductA* 可被當作Product*char specific_data[20];
} ConcreteProductA;static void product_a_operation(Product *self) {ConcreteProductA *pa = (ConcreteProductA *)self;printf("ConcreteProductA operation: %s\n", pa->specific_data);
}// 具體創建者A
typedef struct {Creator base;
} ConcreteCreatorA;// 工廠方法的具體實現：創建ConcreteProductA
static Product *factory_method_a(Creator *self) {ConcreteProductA *prod = (ConcreteProductA *)malloc(sizeof(ConcreteProductA));prod->base.operation = product_a_operation;snprintf(prod->specific_data, 20, "Made by A");return (Product *)prod;
}ConcreteCreatorA *concrete_creator_a_new() {ConcreteCreatorA *ca = (ConcreteCreatorA *)malloc(sizeof(ConcreteCreatorA));ca->base.factoryMethod = factory_method_a;return ca;
}//--- main.c ---
// 客戶代碼只依賴于Creator和Product接口
void client_code(Creator *creator) {printf("Client: I'm not aware of the creator's concrete class.\n");Product *product = creator->factoryMethod(creator);product->operation(product);free(product); // 假設需要釋放
}int main() {ConcreteCreatorA *creatorA = concrete_creator_a_new();client_code((Creator *)creatorA);// 未來可以輕松添加ConcreteCreatorB和ConcreteProductB// ConcreteCreatorB *creatorB = concrete_creator_b_new();// client_code((Creator *)creatorB);free(creatorA);return 0;
}

4、技術與內容

  • 技術： 核心是函數指針，它將對象創建的邏輯抽象成了一個接口（factoryMethod）。結合結構體嵌套，讓具體的創建者決定創建何種具體的產品。
  • 內容： 遵循依賴倒置原則（依賴抽象，而非具體實現）。客戶代碼（client_code）只與Creator和Product的抽象接口耦合，不與任何具體類耦合。這使得系統易于擴展，添加新的產品類型只需增加新的ConcreteCreator和ConcreteProduct，而無需修改現有客戶代碼。
模式名稱主要技術手段（C語言）核心思想與內容適用場景
策略模式結構體 + 函數指針（接口）分離算法，使其可獨立變化和替換多種算法、策略可選的情況
觀察者模式結構體嵌套 + 函數指針 + 鏈表/數組一對多的依賴關系，發布-訂閱事件驅動系統、數據監控
單例模式靜態局部變量 + 不完整類型（信息隱藏）控制實例數目，提供全局訪問點全局資源管理器
工廠方法模式結構體嵌套 + 函數指針（工廠接口）將對象創建延遲到子類，解耦客戶代碼與具體類框架設計，需要創建可擴展的對象家族

在C語言中應用設計模式，更多的是學習其思想精髓而非機械照搬面向對象的實現。通過靈活運用結構體、函數指針、模塊化編程等C語言核心特性，完全可以在過程式語言的范式中構建出靈活、可維護、可擴展的高質量代碼架構。

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