1. 设计模式核心概念与C语言实现基础

设计模式是一套被反复使用、多数人知晓、经过分类编目的、代码设计经验的总结。它描述了在软件设计过程中一些不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案的核心。

在C语言中实现设计模式，主要依赖于以下技术来模拟面向对象特性：

• 结构体（Structs）： 用于封装数据，模拟类的属性。
• 函数指针（Function Pointers）： 用于封装行为，模拟类的方法。这是实现多态（Polymorphism） 和继承（Inheritance） 的关键。
• 头文件（.h）和源文件（.c）： 用于实现封装（Encapsulation） 和信息隐藏。头文件暴露结构体和公共函数接口，源文件隐藏私有数据和实现细节。
• void指针（void*）： 用于实现泛型编程，处理未知类型的数据。

2. 常用设计模式详解

以下选择四个在系统级、嵌入式、中间件等C语言主导领域非常实用的模式。

模式一：策略模式（Strategy Pattern）

1、意图
定义一系列算法，将每个算法封装起来，并使它们可以互相替换。策略模式让算法的变化独立于使用算法的客户。

2、UML图示

• Context：持有一个策略对象的引用，用接口与策略对象交互。
• Strategy：策略接口，声明了所有具体策略的通用方法（execute）。
• ConcreteStrategy：实现了策略接口的具体算法。

3、C代码实现

//--- strategy.h ---
// 声明策略接口（用结构体模拟）
typedef struct Strategy Strategy;
struct Strategy {void (*execute)(void); // 函数指针，代表算法接口
};// 上下文类，用于连接策略
typedef struct Context Context;
struct Context {Strategy *strategy;void (*setStrategy)(Context *, Strategy *);void (*executeStrategy)(Context *);
};// 上下文的构造函数
Context *context_new();//--- strategy.c ---
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "strategy.h"// 上下文的方法实现
static void setStrategy(Context *self, Strategy *strategy) {self->strategy = strategy;
}static void executeStrategy(Context *self) {if (self->strategy && self->strategy->execute) {self->strategy->execute(); // 委托给具体策略} else {printf("No strategy set.\n");}
}// 上下文构造函数
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"// 具体策略A的实现
static void execute_a(void) {printf("Executing strategy A: Quick sort algorithm.\n");
}// 具体策略A的“构造函数”，创建一个策略对象
Strategy *strategy_a_new() {Strategy *s = (Strategy *)malloc(sizeof(Strategy));s->execute = execute_a; // 将函数指针指向具体实现return s;
}//--- concrete_strategy_b.c ---
// ... 类似地实现策略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); // 输出: Executing strategy A...// 动态切换为策略Bctx->setStrategy(ctx, strategyB);ctx->executeStrategy(ctx); // 输出: Executing strategy B...// 释放内存...return 0;
}

4、技术与内容

• 技术： 使用结构体嵌套函数指针来模拟接口和多态。Context依赖于抽象的Strategy接口，而非具体实现。
• 内容： 遵循开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）。添加新算法（新策略）只需创建新的ConcreteStrategy，而无需修改Context的代码。常用于算法选择、文件格式转换、日志策略等场景。

模式二：观察者模式（Observer Pattern）

1、意图
定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象（主题）的状态发生改变时，所有依赖于它的对象（观察者）都得到通知并被自动更新。

2、UML图示

3、C代码实现（简化版）

//--- observer.h ---
typedef struct Observer Observer;
typedef struct Subject Subject;// 观察者接口
struct Observer {void (*update)(Observer *self, int state); // 通知函数
};// 主题基类
struct Subject {Observer *observers[10]; // 简单的观察者数组（实际应用可用链表）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) { /* ... 从数组中移除 ... */ }
static void notify(Subject *self) {for (int i = 0; i < self->count; i++) {if (self->observers[i] && self->observers[i]->update) {// 这里需要知道状态，通常ConcreteSubject会重写notify// 为了简化，我们假设传递一个虚拟状态值0self->observers[i]->update(self->observers[i], 0);}}
}// 主题的“基类”构造函数
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 ---
// 具体主题，拥有状态
typedef struct {Subject base; // 模拟“继承”，Base放在第一个成员，可以实现强制转换int state;
} ConcreteSubject;ConcreteSubject *concrete_subject_new() {ConcreteSubject *cs = (ConcreteSubject *)malloc(sizeof(ConcreteSubject));cs->base = *subject_new(); // 初始化基类部分cs->state = 0;return cs;
}
// 重写notify？或者提供setState方法，在setState中调用notify
void concrete_subject_set_state(ConcreteSubject *self, int state) {self->state = state;self->base.notify((Subject *)self); // 通知所有观察者
}//--- concrete_observer.c ---
typedef struct {Observer base;ConcreteSubject *subject; // 观察者需要知道它所观察的主题
} ConcreteObserver;static void update(Observer *self, int state) {ConcreteObserver *co = (ConcreteObserver *)self; // 获取包含自己的大结构体// 从主题获取真实状态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; // 实现接口co->subject = sub;sub->base.attach((Subject *)sub, (Observer *)co); // 注册自己return co;
}//--- main.c ---
int main() {ConcreteSubject *subject = concrete_subject_new();ConcreteObserver *obs1 = concrete_observer_new(subject);ConcreteObserver *obs2 = concrete_observer_new(subject);// 改变主题状态，观察者会自动被通知concrete_subject_set_state(subject, 10);concrete_subject_set_state(subject, 20);return 0;
}

4、技术与内容

• 技术： 使用组合和函数指针。主题维护一个观察者列表。关键技巧是结构体嵌套（ConcreteSubject包含Subject，ConcreteObserver包含Observer）来实现一种形式的继承和向上转换。
• 内容： 实现了发布-订阅机制，彻底解耦了主题和观察者。主题不知道观察者的具体类，只知道它们实现了Observer接口。广泛应用于GUI事件处理、数据监控、消息队列等。

模式三：单例模式（Singleton Pattern）

1、意图
保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

2、UML图示

• 私有构造函数防止外部new。
• 静态变量instance持有唯一实例。
• 静态方法getInstance()控制实例的创建和访问。

3、C代码实现

//--- singleton.h ---
typedef struct Singleton Singleton;// 获取单例实例的全局函数
Singleton *singleton_get_instance(void);// 某个业务方法
void singleton_some_business_operation(Singleton *self);//--- singleton.c ---
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>// 定义单例结构体（可以包含各种数据）
struct Singleton {int some_value;// ... other data
};// 静态局部变量，在第一次函数调用时初始化，并持续存在
static Singleton *instance = NULL;Singleton *singleton_get_instance(void) {if (instance == NULL) {// 首次调用，创建实例instance = (Singleton *)malloc(sizeof(Singleton));instance->some_value = 42; // 初始化数据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; // 错误：结构体是不完整类型，无法在外部创建// Singleton *s = malloc(sizeof(Singleton)); // 可以但不合规，破坏了模式// 正确获取实例的方式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、技术与内容

• 技术： 使用静态局部变量和静态全局函数来控制实例的创建。通过不完整类型（在.h中只声明struct Singleton，在.c中才定义它）来实现信息隐藏，防止外部直接创建实例。
• 内容： 确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。常用于需要全局管理的资源，如日志管理器、数据库连接池、应用程序配置等。注意多线程环境下的线程安全问题（上面的简单实现不是线程安全的）。

模式四：工厂方法模式（Factory Method Pattern）

1、意图
定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。工厂方法使一个类的实例化延迟到其子类。

2、UML图示

• Creator：声明工厂方法，返回Product类型对象。
• ConcreteCreator：重写工厂方法，返回一个具体的ConcreteProduct实例。
• Product：工厂方法创建的对象接口。

3、C代码实现

//--- product.h ---
typedef struct Product Product;
struct Product {void (*operation)(Product *self);
};//--- creator.h ---
typedef struct Creator Creator;
struct Creator {// 工厂方法（函数指针），相当于一个“创建”接口Product *(*factoryMethod)(Creator *self);// 一个使用产品的操作void (*someOperation)(Creator *self);
};//--- concrete_creator_a.c ---
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "creator.h"
#include "product.h"// 具体产品A
typedef struct {Product base; // 模拟继承，使ConcreteProductA* 可被当作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);
}// 具体创建者A
typedef struct {Creator base;
} ConcreteCreatorA;// 工厂方法的具体实现：创建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 ---
// 客户代码只依赖于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); // 假设需要释放
}int main() {ConcreteCreatorA *creatorA = concrete_creator_a_new();client_code((Creator *)creatorA);// 未来可以轻松添加ConcreteCreatorB和ConcreteProductB// ConcreteCreatorB *creatorB = concrete_creator_b_new();// client_code((Creator *)creatorB);free(creatorA);return 0;
}

4、技术与内容

• 技术： 核心是函数指针，它将对象创建的逻辑抽象成了一个接口（factoryMethod）。结合结构体嵌套，让具体的创建者决定创建何种具体的产品。
• 内容： 遵循依赖倒置原则（依赖抽象，而非具体实现）。客户代码（client_code）只与Creator和Product的抽象接口耦合，不与任何具体类耦合。这使得系统易于扩展，添加新的产品类型只需增加新的ConcreteCreator和ConcreteProduct，而无需修改现有客户代码。

模式名称	主要技术手段（C语言）	核心思想与内容	适用场景
策略模式	结构体 + 函数指针（接口）	分离算法，使其可独立变化和替换	多种算法、策略可选的情况
观察者模式	结构体嵌套 + 函数指针 + 链表/数组	一对多的依赖关系，发布-订阅	事件驱动系统、数据监控
单例模式	静态局部变量 + 不完整类型（信息隐藏）	控制实例数目，提供全局访问点	全局资源管理器
工厂方法模式	结构体嵌套 + 函数指针（工厂接口）	将对象创建延迟到子类，解耦客户代码与具体类	框架设计，需要创建可扩展的对象家族

在C语言中应用设计模式，更多的是学习其思想精髓而非机械照搬面向对象的实现。通过灵活运用结构体、函数指针、模块化编程等C语言核心特性，完全可以在过程式语言的范式中构建出灵活、可维护、可扩展的高质量代码架构。