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Linux 下 C 语言实现工厂模式：设计理念与实战

在嵌入式开发和系统编程中，良好的架构设计 能有效提升代码的可维护性、可扩展性。虽然 C 语言不是面向对象语言，但通过结构体与函数指针等手段，我们依然可以实现经典的设计模式。本文将深入讲解如何在 Linux 环境下使用 C 语言实现工厂模式（Factory Pattern），并结合实际案例说明其优势与应用场景。

🧠 一、工厂模式简介

什么是工厂模式？

工厂模式是一种创建型设计模式，用于隐藏对象创建逻辑，将实例化过程交由工厂类负责。调用者只关心产品的“接口”，不关心具体实现，从而实现解耦。

C 语言实现设计模式的挑战

没有类和继承
无多态机制
类型系统不如 C++ 灵活

解决办法：

使用 struct 模拟类
使用函数指针模拟方法
使用枚举/注册表实现工厂分发

🏗️ 二、实现简单工厂模式（Simple Factory）

我们以“不同类型的传感器”为例，定义一个统一的设备接口，由工厂创建不同的传感器对象。

1. 定义传感器接口（device.h）

#ifndef DEVICE_H
#define DEVICE_H

typedef struct Device {
    void (*init)(void);
    void (*read)(void);
    void (*destroy)(struct Device* self);
} Device;

#endif

2. 各类型传感器实现（sensor_temp.c / sensor_humidity.c）

温度传感器

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "device.h"

static void temp_init() {
    printf("温度传感器初始化完成\n");
}

static void temp_read() {
    printf("温度传感器读取数据：25°C\n");
}

Device* create_temp_sensor() {
    Device* dev = (Device*)malloc(sizeof(Device));
    dev->init = temp_init;
    dev->read = temp_read;
    dev->destroy = free;
    return dev;
}

湿度传感器

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "device.h"

static void humidity_init() {
    printf("湿度传感器初始化完成\n");
}

static void humidity_read() {
    printf("湿度传感器读取数据：60%%\n");
}

Device* create_humidity_sensor() {
    Device* dev = (Device*)malloc(sizeof(Device));
    dev->init = humidity_init;
    dev->read = humidity_read;
    dev->destroy = free;
    return dev;
}

3. 定义工厂接口（factory.h / factory.c）

factory.h

#ifndef FACTORY_H
#define FACTORY_H

#include "device.h"

typedef enum {
    SENSOR_TEMP,
    SENSOR_HUMIDITY
} SensorType;

Device* sensor_factory_create(SensorType type);

#endif

factory.c

#include "factory.h"

extern Device* create_temp_sensor();
extern Device* create_humidity_sensor();

Device* sensor_factory_create(SensorType type) {
    switch (type) {
        case SENSOR_TEMP:
            return create_temp_sensor();
        case SENSOR_HUMIDITY:
            return create_humidity_sensor();
        default:
            return NULL;
    }
}

4. 使用工厂的主函数（main.c）

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

int main() {
    Device* sensor1 = sensor_factory_create(SENSOR_TEMP);
    Device* sensor2 = sensor_factory_create(SENSOR_HUMIDITY);

    if (sensor1) {
        sensor1->init();
        sensor1->read();
        sensor1->destroy(sensor1);
    }

    if (sensor2) {
        sensor2->init();
        sensor2->read();
        sensor2->destroy(sensor2);
    }

    return 0;
}

🧪 三、Linux 应用场景举例

用户空间：

日志模块封装：使用工厂返回 file_logger / syslog_logger / udp_logger
插件加载器：通过配置动态加载插件创建函数指针并注册

内核空间类比：

platform_driver 机制：of_device_id 表现类似“注册表+工厂”
probe 函数中的创建与注册过程 模拟工厂动态创建驱动实例

🧰 四、进阶设计：注册表式工厂（更灵活）

typedef struct {
    SensorType type;
    Device* (*create_func)(void);
} SensorRegistryEntry;

static SensorRegistryEntry registry[] = {
    { SENSOR_TEMP, create_temp_sensor },
    { SENSOR_HUMIDITY, create_humidity_sensor },
};

Device* sensor_factory_create(SensorType type) {
    for (int i = 0; i < sizeof(registry)/sizeof(registry[0]); ++i) {
        if (registry[i].type == type) {
            return registry[i].create_func();
        }
    }
    return NULL;
}

这种写法易于扩展，只需新增注册项。

🧠 五、总结

工厂模式是创建型设计模式的典型代表，适用于对象种类较多、结构相似的场景。
在 C 语言中可以通过结构体+函数指针灵活模拟面向对象思想。
工厂模式可以大大降低模块之间的耦合性，使系统更易于维护和扩展。

🔗 六、参考资料

《设计模式：可复用面向对象软件的基础》
《Linux 设备驱动开发详解》
见附件示例代码

Linux 下 C 语言实现工厂模式