C语言- 工厂模式详解与实践

C语言工厂模式详解与实践

1. 什么是工厂模式？

工厂模式是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂模式中，我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑，而是通过一个共同的接口来指向新创建的对象。

2. 为什么需要工厂模式？

• 封装对象创建过程
• 解耦对象的创建和使用
• 集中管理对象创建
• 方便扩展新类型
• 统一的创建接口

3. 实际应用场景

• 设备驱动创建
• 数据库连接管理
• 通信协议处理器
• 图形界面元素创建
• 日志记录器实现

4. 代码实现

4.1 UML 关系图

4.2 头文件 (device_factory.h)

#ifndef DEVICE_FACTORY_H
#define DEVICE_FACTORY_H

#include <stdbool.h>

// 设备类型
typedef enum {
    DEVICE_SERIAL,
    DEVICE_NETWORK,
    DEVICE_USB,
    DEVICE_MAX
} DeviceType;

// 设备操作结构体
typedef struct {
    bool (*init)(void* config);
    bool (*operate)(void* data, int size);
    void (*destroy)(void);
    const char* name;
} Device;

// 设备配置
typedef struct {
    char port[32];    // 端口号或地址
    int baudrate;     // 波特率或其他参数
    void* extra;      // 额外参数
} DeviceConfig;

// 创建设备
Device* create_device(DeviceType type, DeviceConfig* config);

// 销毁设备
void destroy_device(Device* device);

#endif // DEVICE_FACTORY_H

4.3 实现文件 (device_factory.c)

#include "device_factory.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 串口设备实现
static bool serial_init(void* config) {
    DeviceConfig* cfg = (DeviceConfig*)config;
    printf("初始化串口设备: %s, 波特率: %d\n", cfg->port, cfg->baudrate);
    return true;
}

static bool serial_operate(void* data, int size) {
    printf("串口设备操作: 数据大小 %d\n", size);
    return true;
}

static void serial_destroy(void) {
    printf("销毁串口设备\n");
}

// 网络设备实现
static bool network_init(void* config) {
    DeviceConfig* cfg = (DeviceConfig*)config;
    printf("初始化网络设备: %s\n", cfg->port);
    return true;
}

static bool network_operate(void* data, int size) {
    printf("网络设备操作: 数据大小 %d\n", size);
    return true;
}

static void network_destroy(void) {
    printf("销毁网络设备\n");
}

// USB设备实现
static bool usb_init(void* config) {
    DeviceConfig* cfg = (DeviceConfig*)config;
    printf("初始化USB设备: %s\n", cfg->port);
    return true;
}

static bool usb_operate(void* data, int size) {
    printf("USB设备操作: 数据大小 %d\n", size);
    return true;
}

static void usb_destroy(void) {
    printf("销毁USB设备\n");
}

// 设备模板表
static const Device device_templates[] = {
    {serial_init, serial_operate, serial_destroy, "串口设备"},
    {network_init, network_operate, network_destroy, "网络设备"},
    {usb_init, usb_operate, usb_destroy, "USB设备"}
};

Device* create_device(DeviceType type, DeviceConfig* config) {
    if (type >= DEVICE_MAX || !config) {
        return NULL;
    }
    
    Device* device = (Device*)malloc(sizeof(Device));
    memcpy(device, &device_templates[type], sizeof(Device));
    
    if (!device->init(config)) {
        free(device);
        return NULL;
    }
    
    return device;
}

void destroy_device(Device* device) {
    if (device) {
        device->destroy();
        free(device);
    }
}

4.4 使用示例 (main.c)

#include "device_factory.h"
#include <stdio.h>

int main() {
    // 创建串口设备
    DeviceConfig serial_config = {
        .port = "COM1",
        .baudrate = 115200
    };
    Device* serial_dev = create_device(DEVICE_SERIAL, &serial_config);
    
    // 创建网络设备
    DeviceConfig network_config = {
        .port = "192.168.1.100",
        .baudrate = 0
    };
    Device* network_dev = create_device(DEVICE_NETWORK, &network_config);
    
    // 创建USB设备
    DeviceConfig usb_config = {
        .port = "USB0",
        .baudrate = 0
    };
    Device* usb_dev = create_device(DEVICE_USB, &usb_config);
    
    // 测试设备操作
    printf("\n=== 测试设备操作 ===\n");
    char test_data[] = "Hello, Device!";
    
    if (serial_dev) {
        printf("\n%s:\n", serial_dev->name);
        serial_dev->operate(test_data, sizeof(test_data));
    }
    
    if (network_dev) {
        printf("\n%s:\n", network_dev->name);
        network_dev->operate(test_data, sizeof(test_data));
    }
    
    if (usb_dev) {
        printf("\n%s:\n", usb_dev->name);
        usb_dev->operate(test_data, sizeof(test_data));
    }
    
    // 销毁设备
    destroy_device(serial_dev);
    destroy_device(network_dev);
    destroy_device(usb_dev);
    
    return 0;
}

5. 代码分析

5.1 关键设计点

1. 统一的设备接口
2. 工厂方法封装
3. 设备模板管理
4. 配置参数传递

5.2 实现特点

1. 函数指针实现多态
2. 模板表简化创建
3. 错误处理完善
4. 资源管理安全

6. 编译和运行

gcc -c device_factory.c -o device_factory.o
gcc -c main.c -o main.o
gcc device_factory.o main.o -o factory_demo

7. 注意事项

1. 设备初始化检查
2. 内存管理安全
3. 错误处理完整
4. 配置参数验证

8. 改进建议

1. 添加设备状态管理
2. 实现设备查找功能
3. 支持动态设备注册
4. 添加设备池管理

9. 总结

工厂模式通过封装对象的创建过程，提供了一种灵活且可扩展的对象创建机制。这种模式特别适合处理需要创建多种类型对象的场景。

参考资料

1. 《设计模式：可复用面向对象软件的基础》
2. 《C语言程序设计》
3. 《嵌入式系统设计》